07Materiales

VII.- MATERIALES UTILIZADOS EN LOS GENERADORES
DE VAPOR
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Metalurgia
Estructuras cristalinas
Defectos en cristales
Defectos puntuales
Contorno de los granos; defectos volumétricos
Metalurgia física del acero
Fases
Diagrama Fe-C
Temperaturas de transformaciones críticas
Diagrama de transformaciones isotérmicas
Efecto de los elementos aleados en el diagrama Fe-Fe3C
Carbono, manganeso, molibdeno, cromo, níquel, cobalto, etc
Agentes desgasificadores, P, S
Tratamientos térmicos
Recocidos de regeneración, solubilización, estabilización, etc
Normalizado, temple, revenido y tratamientos térmicos posteriores a la elaboración
Procesos de fabricación
Operaciones de trabajo en frío
Soldadura
Metales de aportación
Factores que afectan a la calidad de la soldadura, contenido en ferrita, grafitización, tratamientos térmicos, etc
Materiales utilizados en la fabricación de calderas
Aceros calmados, semicalmados, efervescentes y microaleados
Acero (C + 0,5 Mo), Acero (C + Mo), Acero (0,5 C + 0,5 Mo), Acero (2,25 Cr +1 Mo), etc
Aleaciones altas de (Cr-Mo)
Aceros inoxidables austeníticos
Materiales bimetálicos
Fundiciones, blanca, gris, dúctil y aceros colados
Materiales cerámicos y refractarios
Envolturas y protecciones, cromado, aluminización, envolturas refundidas, galvanización
Propiedades mecánicas a baja temperatura; ensayos de tracción, dureza, tenacidad, conformación
Propiedades mecánicas a alta temperatura
Resistencia a la tracción
Ensayo de termofluencia y rotura por fluencia
Materiales para calderas.- Especificaciones ASME y tensiones admisibles
Tabla de materiales de calderas y aplicaciones típicas (unidades inglesas)
Caldera, paredes hogar, zonas de convección y economizadores, sobrecalentadores y recalentadores
Factores de selección; espesor mínimo de la pared tubular
Espesor mínimo de la pared tubular, materiales para colectores, tuberías y calderines, Aceros termoresistentes
Equipos medioambientales: Desulfuración de humos, Entrada en la torre de absorción, zona humidificada por rociado
Zona de salida y separador de humedad en la torre de absorción
Referencias
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VII.1.- METALURGIA
ESTRUCTURAS CRISTALINAS.- En los sólidos, los átomos de los metales se encuentran
colocados según disposiciones ordenadas llamadas redes. Un ejemplo de red puntual simple se
muestra en la Fig VII.1a, en la que se presenta una celdilla unitaria; las longitudes de los ejes se
definen por a, b y c y los ángulos entre ejes por α, β y γ, Fig VII.1b.
Fig VII.1.- Red puntual simple y celda unitaria
Los aceros utilizados en calderas y en recipientes a presión pertenecen a dos tipos de redes:
- Red cúbica centrada en el centro
- Red cúbica centrada en las caras
En aquellos puntos del cristal en donde existen modificaciones o interrupciones de la estructura, se producen defectos.
Algunas estructuras se componen de un cristal simple, en el que todas las celdillas unitarias
tienen la misma disposición relativa y contienen pocos defectos; por ejemplo, los álabes de las turbinas de gas para altas prestaciones se fabrican con monocristales que, aun siendo muy difíciles de
fabricar, resultan muy interesantes porque su resistencia está determinada mediante interacciones
cerradas por los enlaces atómicos en su disposición óptima.
El comportamiento de las estructuras metálicas queda determinado por la naturaleza de los
defectos presentes en las mismas. Las estructuras están constituidas por conjuntos imperfectos de
cristales defectuosos siendo su resistencia menor que la correspondiente a los cristales simples perfectos.
Fig VII.2.- Redes cristalinas: a) Cúbica centrada en el cuerpo; b) Cúbica centrada en las caras
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DEFECTOS EN CRISTALES.- Un cristal perfecto no existe en la Naturaleza; las imperfecciones de los cristales y sus correspondientes interacciones determinan las propiedades de los materiales.
Defectos puntuales.- Los defectos puntuales comprenden:
- La carencia de átomos o lagunas reticulares
- Átomos de otro elemento (sustitucionales) en puntos de la red cristalina
- Átomos de otro elemento (intersticiales) entre puntos de la red
Siempre existen lagunas reticulares, creadas térmicamente, que reducen la energía libre de la
estructura metálica, disminuyendo su entropía. No obstante, para las lagunas reticulares de origen
térmico que pueden existir en un cristal, hay un equilibrio que varía con la temperatura del mismo.
La presencia de lagunas reticulares permite la difusión o transporte de una determinada especie de
átomos a través de la red cristalina de otra especie.
Las lagunas reticulares facilitan determinadas formas de deformación a lo largo del tiempo,
como la fluencia, que es la deformación lenta que experimenta un metal cuando está sometido continuamente a solicitaciones. Las lagunas reticulares se pueden provocar por irradiación y por deformación plástica.
Cuando los átomos de dos metales se mezclan en estado líquido y luego se enfrían para lograr
la solidificación, los átomos de uno de los metales pueden tomar posiciones en la estructura cristalina del otro, configurando entonces una aleación. Como consecuencia del distinto tamaño de los átomos y de la distinta solidez de unión entre átomos diferentes, las propiedades de las aleaciones pueden diferir mucho de las correspondientes al metal puro.
Fig VII.3.- Defectos importantes, imperfecciones comunes y defectos complejos en metales
Los átomos de C, O2, Ni y Bo que son mucho menores que los átomos metálicos y tienen estructuras muy distintas, se pueden acomodar en los intersticios que hay entre los átomos metálicos.
La difusión de un elemento intersticial en una red cristalina metálica, depende también de la
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temperatura, aunque fundamentalmente es función de la vibración reticular, que resulta ser mucho
más importante (en amplitud y frecuencia) para temperaturas que superan un umbral determinado.
En la Fig VII.3 se muestran algunos defectos de cristales; esta representación es un esquema
!- Lagunas reticulares
#- Átomos ajenos sustitucionales
#
bidimensional de una red cristalina del Fe, que contiene: "- Átomos intersticiales
#- Contorno de granos
#
$- Huecos, inclusiones, precipitados
Las dislocaciones son defectos lineales configurados por un proceso de deformación (deslizamiento o resbalamiento) entre dos placas estructurales cristalinas adyacentes.
CONTORNO DE LOS GRANOS.- Los bordes de los granos son interfaces complejas entre
cristales, con orientaciones significativamente diferentes dentro de un metal.
Como las uniones atómicas en los contornos de los granos y en otros defectos cristalográficos
planos, son diferentes de las que existen en el cuerpo de un cristal perfecto, se comportan de forma
⎧ al calor
muy distinta frente ⎨
⎩ a los reactivos químicos
Estas diferencias se ponen de manifiesto en el borde de los granos y en otras características
estructurales de las superficies metálicas pulidas, cuando se examinan al microscopio.
Los contornos de granos pueden tener efectos positivos o negativos, como:
- A bajas temperaturas un acero de tamaño de grano pequeño puede ser más resistente que el mismo acero con tamaño de grano grueso, porque el contorno de los granos actúa como barrera contra el deslizamiento
- A altas temperaturas, en las que se pueden presentar deformaciones activadas térmicamente, un material con estructura de grano fino puede ser más quebradizo, debido a la estructura irregular en el contorno del
grano, que provoca la termofluencia local, lo que permite que los granos roten por deslizamiento sobre los contornos
Defectos volumétricos.- Están constituidos por vacíos configurados por la unión de lagunas
reticulares o por la separación de contornos granulares, siendo los más corrientes las inclusiones de
óxidos, sulfuros y otros compuestos, o de otras fases que precipitan durante la solidificación de los
sistemas complejos.
VII.2.- METALURGIA FÍSICA DEL ACERO
Fases.- Una fase es un conjunto homogéneo de materia, que existe en una forma física bien
definida; en metalurgia, para representar las fases en coordenadas temperatura-composición, se utiliza el diagrama de fases. Para un metal puro, un diagrama de fases es una línea, puesto que su
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composición no varía.
Cuando participa más de un elemento, se pueden presentar una gran variedad de fases; una
⎧Cobre + Niquel (Cu + Ni)
⎪⎪Oro + Plata (Au + Ag)
de estas la constituye un sistema binario, como: ⎨
⎪Oro + Platino (Au + Pt)
⎪⎩ Antimonio + Bismuto (Sb + Bi)
El diagrama de fases de uno cualquiera de estos sistemas simples muestra dos características
comunes a todas las soluciones sólidas:
- El valor de la composición puede variar lo mismo en las soluciones líquidas que en las sólidas
- En estos sistemas, el cambio de fase (de líquido a sólido) tiene lugar dentro de un determinado intervalo de temperaturas, a excepción del agua y de los metales puros, que se congelan y cambian la estructura a
una temperatura determinada
Fig VII.4.- Diagrama de equilibrio Cu-Ni
La Fig VII.4 es parte del diagrama correspondiente al sistema (Cu + Ni) que indica los elementos que precipitan desde la solución, cuando el líquido se enfría con una velocidad relativamente
lenta. Son muy raras las aleaciones, en las que ambas especies son infinitamente solubles; lo más
frecuente es que los elementos sean sólo parcialmente solubles y que en el enfriamiento precipiten
mezclas de fases. También es normal que los elementos reaccionen entre sí, formando un compuesto
químico intermetálico, que puede tener rango de composición, aunque ésto sea más propio de las soluciones sólidas. Dos sistemas que forman compuestos intermetálicos son el (Fe + Cr) y el (Fe + C).
Diagrama Fe-C.- El acero es una aleación de base férrica que suele contener Mn, C y otros
elementos de aleación. Prácticamente, todos los metales usados en calderas y recipientes a presión
son aceros; para los aceros al C, el Mn suele estar presente en cantidades próximas al 1% y es un
elemento sustitucional de disolución sólida.
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El Mn tiene poco efecto sobre la red cristalina del Fe debido a que su tamaño atómico y su estructura electrónica son similares a los del Fe, siempre que se trate de una concentración baja.
Variando el contenido en C, se obtienen amplias gamas de propiedades mecánicas mediante
tratamientos térmicos; el diagrama Fe-C indica que la máxima solubilidad del C en el Fe-α es del
0,025%, mientras que la solubilidad en el Fe-γ es ligeramente superior al 2%; las aleaciones Fe-C,
que contienen hasta un 2% C, son maleables (aceros). Las fundiciones contienen más del 2% C y son
de peor calidad que los aceros en lo que respecta a maleabilidad, resistencia, tenacidad y ductilidad.
H (0,08%C)
B (1492ºC; 0,4%C)
J (0,18%C)
Fig VII.5.- Diagrama Fe-C
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Los átomos de C son considerablemente menores que los de Fe; en el caso del Fe-α se disponen
en el punto medio de las aristas del cubo y en los centros de las caras, (ferrita)
En el Fe-γ, los átomos de C se disponen en los puntos medios de las aristas del cubo y en el
centro del mismo, (austenita).
En la ferrita hay muchos más intersticios que en la austenita; en ambas estructuras, los espacios intersticiales son mucho menores que los del átomo de C lo que conduce a una distorsión total
de la red cristalina y da lugar a una limitada solubilidad del C en el Fe. Los intersticios de la austenita son mayores que los de la ferrita, lo que explica la mayor solubilidad del C en la austenita.
Si la austenita tiene más del 0,125%C, y se enfría lentamente, se transforma en ferrita; el C
en exceso sobre el 0,125% precipita de la solución sólida; esta precipitación no tiene lugar en forma
de C puro (grafito), sino que forma un compuesto intermetálico, Fe3C, carburo de Fe o cementita
que, al igual que la mayoría de los carburos metálicos, es una sustancia dura.
La cementita no es una fase completamente estable, siendo el grafito mucho más estable; la
dureza del acero aumenta con el contenido en C, incluso sin tratamiento térmico alguno.
Temperaturas de transformaciones críticas.- El punto de fusión de una aleación de Fe se
reduce mediante la adición de C, hasta un contenido de 4,3%C; a mayores temperaturas que la de
fusión, coexisten las fases líquida y sólida. Cuando el contenido en C alcanza un 0,1%, el valor del
Fe-d se restringe y, finalmente, se elimina como una fase simple, permaneciendo algo de Fe-d hasta,
aproximadamente, el 0,5% C, pero está combinado con otras fases.
Por debajo de la región del Fe-d, la austenita absorbe C hasta las composiciones que corresponden a la línea S-E, Fig VII.5, que limita la solubilidad de la disolución sólida.
La temperatura a la que existe sólo austenita decrece conforme aumenta el contenido en C,
línea G-S, hasta el punto eutéctico correspondiente a 0,80% C y 1333ºF (723ºC).
La temperatura aumenta a lo largo de la línea S-E, con el contenido creciente de C, porque la
austenita es inestable para absorber C adicional, excepto a temperaturas más altas.
Una reacción eutectoide es aquella transformación en la que una fase sólida simple se descompone en dos nuevas fases mediante enfriamiento o se produce la reacción inversa en caso de calentamiento. Para la composición eutectoide del 0,8% C, sólo existe austenita por encima de los
1333ºF (723ºC) y únicamente hay ferrita y cementita por debajo de dicha temperatura; ésta es la
temperatura crítica inferior A1.
Para contenidos en C menores, en la región hipoeutectoide, conforme se enfría la austenita y
se alcanza A1 (temperatura crítica superior) precipita primero la ferrita.
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Cuanto más baja la temperatura por debajo de 1333ºF (723ºC) en A1, la austenita residual se
transforma en ferrita y cementita.
En la región hipereutectoide, por encima del 0,8% C, cuando la cementita se enfría hasta la
línea crítica Acm precipita primero la ferrita; cuando se enfría hasta 1333ºF (723ºC) la austenita residual se transforma en ferrita y cementita.
El punto A2 es el punto Curie, que se corresponde con la temperatura a la que el Fe pierde su
ferromagnetismo espontáneo. En un proceso de enfriamiento, a la temperatura A1 toda la austenita
residual se transforma en ferrita y cementita; la estructura laminar resultante es una alternancia
de capas delgadas de ferrita y cementita, típica de las reacciones de descomposición eutectoide; en
los aceros esta estructura es la perlita, que siempre tiene la composición eutectoide correspondiente
al 0,8% C.
Cuando la perlita se mantiene a una temperatura moderadamente alta, por ejemplo 950ºF
(510ºC), durante un largo período de tiempo, la cementita se descompone en ferrita y grafito:
- En primer lugar, las laminillas de Fe3C se aglomeran en esferas y la estructura resultante se identifica como esferoidal (globular)
- Posteriormente, los átomos de Fe se repelen de las esferas, dando lugar a una estructura grafitizada.
VII.3.- DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIONES ISOTERMICAS
⎧- perlita y ferrita
Cuando la austenita se enfría rápidamente, o cuando la ⎨
se calientan rápi⎩- perlita y cementita
damente, las líneas correspondientes a las transformaciones que se representan en el diagrama de
equilibrio de la Fig VII.5, están sujetas a desplazamientos, lo que lleva a designar con más precisión
⎧ A y AC3 en caso de calentamiento
los puntos A1 y A3 : ⎨ C1
⎩ AR1 y AR3 en caso de enfriamiento
Los procesos de fabricación implican diversos intervalos de tiempo, que van desde algunos segundos, hasta varios días (tratamientos térmicos de grandes recipientes), por lo que es evidente que
el factor tiempo es relevante en cualquier caso.
Los experimentos sobre transformaciones isotermas se utilizan para determinar los tiempos
de transformación de las fases, a una temperatura particular considerada; los datos se representan
en los diagramas TTT (Temperatura, Tiempo, Transformación), o curvas de las S.
El diagrama TTT de la transformación isotérmica que se representa en la Fig VII.6, relativo a
un acero hipoeutectoide, muestra el tiempo para la transformación de la austenita en otros componentes, para varias temperaturas:
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- El acero se calienta hasta unos 1600ºF (871ºC) estando la totalidad del mismo en estado austenítico
- A continuación se introduce rápidamente en un horno o en un baño de sales fundidas a 700ºF (371ºC),
y se mantiene a esta temperatura
- La Fig VII.5 indica que la ferrita y los carburos existen a esta temperatura y la Fig VII.6 indica el
tiempo de duración de la reacción correspondiente
- Si los intervalos de tiempo relativos a la duración de la transformación se proyectan tal como se indica
en la Fig VII.6, en la parte superior de dicho diagrama se puede predecir que el 100% de la austenita existe
durante unos 4 segundos hasta que comience la transformación
- Al cabo de unos 100 segundos se completa el 50% de la transformación y, finalmente, en 700 segundos
la totalidad de la austenita se ha sustituido por un aglomerado de ferrita y cementita.
- Para temperaturas inferiores a los 600ºF (316ºC), la austenita se transforma en martensita, que es el
componente más duro de los aceros sometidos a un tratamiento térmico. La temperatura a la que comienza la
formación de la martensita se identifica con la notación M8 que decrece con el aumento de la temperatura de
formación de la austenita, debido a que M8 es muy sensible al contenido en C de la austenita; una alta temperatura de austenización produce una solución más compleja de carburos.
La nariz de la curva que se encuentra en el lado izquierdo, Fig VII.6, está en este caso a unos
900ºF (482ºC), y es importante porque la transformación a esa temperatura es muy rápida; si este
acero se enfría para formar martensita, debe pasar por esos 900ºF (482ºC) con toda rapidez, para
impedir que la línea que determina el enfriamiento corte a la nariz de la curva, o lo que es lo mismo,
para impedir que parte de la austenita se transforme en perlita, que es más blanda.
Fig VII.6.- Diagrama de transformación isoterma. Tiempo requerido en un acero, p.e. a 700ºF (371ºC)
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La martensita es una estructura metastable superenfriada, que tiene la misma composición
que la austenita, a partir de la cual se forma. Es una solución de C en Fe, que tiene una estructura
cristalográfica tetragonal con red centrada en el cuerpo.
⎧- al alto contenido en C sobresaturado
⎪
La dureza de la martensita se debe ⎨- a la distorsión de la red provocada por el Cexceso capturado
⎪⎩- al cambio volumétrico de la transformacion
El volumen específico de la martensita es mayor que el de la austenita.
⎧- no se produce mediante nucleación y posterior crecimiento
⎪
La formación de la martensita: ⎨- no se puede suprimir mediante el templado
⎪⎩- es un compuesto atérmico
La austenita empieza a formar martensita a la temperatura M8 y conforme disminuye la temperatura aumenta la cantidad de martensita en la estructura.
Cuando se alcanza la temperatura MF se completa la formación de la martensita. A cualquier
temperatura intermedia entre las dos citadas, la cantidad de martensita a esa temperatura se forma instantáneamente y se mantiene a esa temperatura sin que se produzcan transformaciones posteriores.
Las temperaturas MS y MF se representan como líneas rectas en el diagrama TTT, Fig VII.7;
al microscopio, la martensita tiene el aspecto de agujas lenticulares.
Fig VII.7.- Curvas TTT. Transformación para un acero ordinario con 0,8% C
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La bainita se produce cuando tiene lugar la transformación del eutéctico a menor temperatura, aunque por encima de la M8.
VII.4.- EFECTO DE LOS ELEMENTOS ALEADOS EN EL DIAGRAMA Fe-Fe3C
La adición de uno o más elementos a la aleación Fe-C, puede tener efectos significativos sobre
el tamaño relativo que adquieren los distintos campos de fases en el diagrama Fe-cementita.
El Ni, Mn, Cu y Co son formadores de austenita, porque su adición a la aleación Fe-C incrementa la temperatura a la que se transforma la martensita en ferrita-d y rebaja mucho el A3, Fig
VII.5. Añadiendo suficiente cantidad de estos elementos, se incrementa el campo de la austenita y la
estructura cristalina centrada en las caras del cubo se hace estable a la temperatura ambiente.
La mayoría de los elementos citados no forman carburos por lo que el C permanece disuelto en
⎧ alta estabilidad
⎪
la austenita; de ésto se derivan muchas propiedades útiles de los materiales como ⎨ resistencia
,
⎪⎩ ductilidad
incluso a elevadas temperaturas.
El Cr, Mo, W, Va, Al y Si, tienen un efecto opuesto al precedente y son formadores de ferrita.
Estos elementos elevan la temperatura A3 y algunos forman carburos estables, estabilizando la ferrita con red cristalina centrada en el cubo, incluso a altas temperaturas.
Los aceros son los materiales estructurales más importantes de las modernas tecnologías que
pueden satisfacer cualquier necesidad en muchas aplicaciones. Sus propiedades afectan por las características de los elementos añadidos, en forma aislada o combinada, que entran a formar parte de
la composición del acero, y por su comportamiento como componentes sometidos a diversas condiciones de temperatura y de tiempos de fabricación y utilización.
⎧- Cr aumenta la resistencia a la corrosión y a la exfoliación
⎪
Por ejemplo el: ⎨- Mo aumenta la resistencia a la termofluencia a elevadas temperaturas
⎪⎩- Ni en cantidades apropiadas restituye la austenita del acero
Carbono.- Es el elemento de aleación más importante del acero; un incremento del contenido
en C produce una resistencia y una dureza finales mucho más altas, pero al mismo tiempo reduce la
ductilidad y la tenacidad.
⎧- temple al aire
El C incrementa la dureza del ⎨
, especialmente en presencia de Cr.
⎩- soldeo
En aceros de baja aleación y aplicaciones a alta temperatura, el contenido en C se disminuye
hasta un 0,15% C para asegurar la óptima ductilidad en las operaciones de soldeo, doblado y plegado; para alcanzar una adecuada resistencia a la termofluencia no se debe bajar del 0,07% C.
Para minimizar la corrosión íntergranular provocada por la precipitación de carburos, el conpfernandezdiez.es
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tenido en C de los aceros inoxidables austeníticos se limita al 0,10% C; para una aceptable resistencia a la termofluencia se requiere un mínimo de 0,04% C.
Fig VII.8.- Efecto del C sobre las propiedades mecánicas de un acero al carbono laminado en caliente
Para temperaturas inferiores a 825ºF (441ºC), la resistencia a la fluencia se incrementa cuando el contenido en C aumenta hasta el 0,04% C. Para temperaturas superiores a ésta, cuando el contenido en C se modifica, existen pequeñas variaciones en las propiedades de los materiales frente a
la fluencia.
En general, un aumento en el contenido de C reduce las conductividades térmica y eléctrica
del acero y se incrementa su dureza en el templado
Manganeso.- Es infinitamente soluble en la austenita y soluble en la ferrita hasta contenidos
del 10% Mn; cuando el acero está fundido, el Mn se combina con el S residual, formando sulfuros de
Mn, que tienen un punto de fusión muy superior al de los sulfuros de Fe
Sin el Mn se podrían formar sulfuros de Fe que funden a 1800ºF (982ºC), lo que conduciría a
una fragilidad en caliente, que es el mecanismo de fallo durante las operaciones de conformación a
esas temperaturas.
En consecuencia:
- El Mn facilita la maleabilidad que distingue al acero del Fe fundido
- Forma carburos estables, siendo la tendencia a la formación de éstos ligeramente superior a la de la
formación de carburos de Fe, aunque no llega a ser tan importante como la de los del Cr
- Refuerza la disolución de sólidos, es mejor que el Ni y casi tan bueno como el Cr
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- Se puede utilizar en los aceros austeníticos inoxidables en sustitución del Ni, como estabilizador austenítico de menor coste.
Molibdeno.- Cuando se añade al acero aumentan la resistencia, el límite elástico, la duración
frente al rozamiento, las cualidades frente a impactos y la templabilidad; contribuye a la resistencia
a altas temperaturas y permite calentar los aceros hasta el rojo intenso, sin pérdida de dureza.
El Mo incrementa la resistencia al ablandamiento durante el templado y limita el crecimiento
del grano estructural del acero; hace que los aceros al Cr sean menos susceptibles a la fragilidad por
revenido, siendo el aditivo simple más efectivo que incrementa la resistencia a la fluencia a alta
temperatura.
El uso del Mo mejora la resistencia a la corrosión de todos los aceros austeníticos inoxidables,
reduciendo en ciertas condiciones la susceptibilidad a la corrosión por picaduras.
Cromo.- Es el componente esencial del acero inoxidable, porque forma un óxido estable y fuertemente adherente, frente a otros elementos que son potentes formadores de óxidos.
El Cr es el único elemento altamente soluble en el Fe, pues puede llegar hasta el 20% en austenita y prácticamente infinito en ferrita. Es irreemplazable para la resistencia a la oxidación en
aplicaciones a alta temperatura, y a la temperatura ambiente incrementa el límite elástico, la dureza y la ductibilidad del acero. En aceros recocidos de baja aleación, para resistencia a termofluencia,
el contenido óptimo es un 2,25% Cr; cuando se incrementa el contenido en Cr, se observa una mejora
permanente en la resistencia a la corrosión atmosférica y en el ataque de muchos reactivos que pueden favorecer la oxidación. Un acero que contiene más de un 12% Cr se considera inoxidable, es decir, la película formada por el Cr2O3 es suficiente para prevenir la formación de óxido de Fe hidratado.
En general, las propiedades químicas del acero resultan afectadas por el contenido en C; altos
niveles de Cr y bajos de C conducen a mayores resistencias frente a la corrosión. La adición suficiente de Cr impide la grafitización durante prolongados períodos de servicio a altas temperaturas. La
adición de más del 1% Cr puede provocar un notable templado al aire del acero en cuestión; el templado al aire es función directa de los contenidos de Cr y C, hasta un 13,5% Cr.
En los aceros de bajo contenido en C que tengan más del 12% Cr, su resistencia al impacto se
reduce siendo muy pobre la ductilidad. El contenido en Cr disminuye la conductividad térmica y
eléctrica. En aceros de baja aleación, el Cr se puede difundir mediante el cromado, que es un proceso
de deposición química. Se pueden alcanzar altos contenidos en Cr, prácticamente inatacables por
oxidación y totalmente resistentes a la exfoliación.
Níquel.- Cuando al acero se le añade Ni aumenta su tenacidad, especialmente si su contenido
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es superior al 1% Ni; mejora la resistencia a la corrosión, en algunos medios, si se llega a contenidos
en Ni del 5%.
El Ni es efectivo en la mejora de propiedades frente a impactos, sobre todo a baja temperatura. Su utilización más importante como elemento de aleación de los aceros, radica en su combinación
con el Cr, en valores del 8% de Ni o más.
El Ni es un potente formador de austenita, ya que las aleaciones Fe-Ni-C con altos contenidos
en Cr son austeníticas a temperatura ambiente. Las diversas combinaciones de Cr y Ni en el Fe
producen propiedades que no se pueden obtener con contenidos equivalentes de otros elementos
simples. Las combinaciones más frecuentes son, 18%Cr/8%Ni , 25%Cr/12%Ni , 25%Cr/20%Ni ,
20%Cr/30%Ni , siendo estos aceros resistentes a la corrosión atmosférica y a la oxidación a alta
temperatura, ofreciendo resistencias ampliamente mejoradas a la termofluencia.
En los aceros ferríticos de baja aleación, el Ni es ligeramente beneficioso para elevar las propiedades frente a la fluencia, ya que reduce el coeficiente de dilatación térmica y disminuye las conductividades eléctrica y térmica.
A temperaturas elevadas, el Ni no favorece la resistencia frente a los compuestos sulfurosos.
Cobalto.- Es el único elemento que impide el templado de los aceros, por lo que cuando se
añade Co a una matriz austenítica, se convierte en un potente reforzador de la disolución y formador de carburos; mejora la resistencia a la fluencia. Las aleaciones Fe-Co tienen la inducción de saturación magnética más elevada entre todos los materiales conocidos, por lo que estas aleaciones se
emplean frecuentemente en imanes permanentes.
Wolframio.- El W actúa de forma parecida al Mo, siendo un potente formador de carburos y
un reforzador de disoluciones sólidas. Forma carburos resistentes a la abrasión en los aceros especiales para herramientas, desarrolla dureza frente a las altas temperaturas de templado y en algunos aceros a alta temperatura contribuye a la resistencia frente a la termofluencia.
Vanadio.- Es un agente desgasificador y desoxidante, aunque esta peculiaridad se usa poco
debido a su elevado coste. En los aceros se emplea como elemento de aleación para aumentar la resistencia, la tenacidad y la dureza; forma carburos, y estabiliza la estructura, especialmente a altas
temperaturas; minimiza la tendencia al crecimiento del grano lo que permite el tratamiento térmico
a temperaturas más elevadas, e intensifica las propiedades de los elementos que se suelen incluir en
la composición de los aceros aleados.
Pequeños contenidos en vanadio, entre 0,1 ÷ 0,5% Va, acompañados del correspondiente tratamiento térmico, en aceros que contienen entre 0,5 ÷ 1,0% Mo, producen notables mejoras de las
propiedades frente a la termofluencia a altas temperaturas.
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Titanio y Niobio.- El Ti y el Nb son los formadores de carburos más potentes que se conocen;
el Ti es un buen agente desoxidante y desnitrurante. Estos elementos son mucho más efectivos en
las aleaciones austeníticas de Cr-Ni (en las que reaccionan rápidamente con el C), que en las aleaciones de Cr, circunstancia que permite que el Cr quede en la disolución sólida y en la concentración
necesaria para poder mantener la resistencia a la corrosión.
El (Ti, Nb), y el (Ti -Ta) se emplean mucho para reducir las tendencias al templado al aire y
para incrementar la resistencia a la oxidación de los aceros con un máximo de 14% Cr.
A largo plazo, en lo que se refiere a propiedades a altas temperaturas, estos elementos tienen
una influencia beneficiosa sobre los aceros inoxidables al Cr-Ni, debido a la estabilidad de sus carburos, nitruros y carbonitruros.
El Ti y el Nb se han empleado también en algunos aceros, para mejorar sus propiedades a altas temperaturas, formando un compuesto intermetálico (Ni3Ti) que constituye una potente fase reforzadora de la resistencia.
Cobre.- Cuando al acero se le añade Cu en pequeña cantidad, se mejora la resistencia a la corrosión atmosférica y se disminuye el ataque relativo a los ácidos reductores. El Cu, al igual que el
Ni, en condiciones de alta temperatura no es resistente a los compuestos sulfurosos, por lo que el Cu
no se emplea en aceros de baja aleación previstos para servicios a alta temperatura, en ambientes
con compuestos de S, tal como ocurre en una atmósfera de gases de combustión.
El Cu se añade a los aceros de baja aleación para construcción, con el fin de aumentar el límite elástico y la resistencia a la corrosión atmosférica.
La presencia del Cu en aceros de alta aleación incrementa la resistencia al ácido sulfúrico.
Boro.- El Bo combinado con el Mo es un potente estabilizador de la vainita; pequeñas cantidades de Bo, en presencia de Mo, impiden la formación de martensita y facilitan la completa transformación a bainita, antes de que se alcance la temperatura Ms.
La bainita mejora la resistencia y la estabilidad de los aceros al Cr-Mo, destinados a la fabricación de recipientes a presión.
El isótopo del boro B-10 tiene una muy alta sección eficaz de captura de neutrones, por lo que
se añade habitualmente a los aceros que se utilizan en la construcción de vasijas de reactores nucleares y de recipientes de almacenamiento de combustibles y residuos nucleares.
Nitrógeno.- En aceros al C de baja aleación se emplea en casos de endurecimiento superficial,
lo que se consigue mediante la difusión de N2 naciente en la superficie del acero.
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-273
El N2 y el C son reforzadores intersticiales en las disoluciones sólidas.
En presencia de Al o de Ti, el N2 produce un refuerzo adicional, a causa de la formación de
precipitados de los nitruros y carbonitruros.
En aceros inoxidables austeníticos, el N2 facilita el mismo reforzamiento intersticial que el C,
y sin embargo no agota el Cr en la austenita, como hace el C.
La resistencia de los aceros inoxidables que contienen N2 es equivalente a la de los aceros inoxidables que contienen C, resistencia que se logra sin que haya susceptibilidad al ataque corrosivo
en estos aceros, que proviene de la formación local de carburos en los contornos de los granos.
Oxígeno.- El O2 no es un elemento de aleación; su presencia en el acero es un residuo procedente del proceso de fabricación del mismo; no obstante, algunos óxidos son muy buenos y estables,
especialmente los de Al, Ti y To; para conseguir que estos óxidos se dispersen como partículas finas
en toda la masa de la aleación, se provoca una oxidación interna mediante atmósfera de O2 o por
técnicas de polvometalotecnia.
Aluminio.- El Al es un componente secundario, propio de aceros de baja aleación. Es un eficiente desoxidante y se utiliza mucho en la producción de los llamados aceros calmados (desgasificados). Cuando el Al se añade en cantidades apreciables, puede llegar a formar escamas fuertemente adheridas de óxido refractario, aumentando la resistencia frente a la exfoliación; sin embargo resulta difícil añadir cantidades notables de Al sin que se presenten otros efectos indeseables.
Las proporciones normales del orden del 0,015 ÷ 0,080% Al, no mejoran la resistencia frente a
las formas ordinarias de corrosión.
Como resultado de su afinidad por el O2, los aceros altos en Al suelen contener numerosas inclusiones de alúmina, que pueden provocar corrosiones y picaduras.
El Al cuando se aplica sobre el acero como revestimiento superficial, aumenta la resistencia a
la oxidación, como en el proceso de impregnación con Al o calorización.
Una excesiva cantidad de Al tiene un efecto negativo sobre las propiedades del material, frente a la termofluencia, particularmente en el caso del acero al C, lo que se atribuye a la influencia
que tiene el Al sobre el afino del grano y sobre la aceleración de la esferoidización y grafitización de
los carburos.
Silicio.- El Si contribuye mucho a la calidad del acero, como consecuencia de sus altas propiedades desoxidantes y desgasificadoras. La resistencia a la oxidación y la estabilidad superficial
del acero se pueden mejorar mediante la adición de Si, efectos deseables que compensan parcialpfernandezdiez.es
Materiales.VII.-274
mente la tendencia del Si a reducir la resistencia a la fluencia.
Cuando el Si se añade en cantidades no superiores al 2,5% Si, la resistencia máxima del acero
aumenta sin perder ductilidad; contenidos en Si superiores al 2,5% provocan fragilidad.
El Si aumenta la conductividad eléctrica del acero y disminuye sus pérdidas por histéresis,
por lo que los aceros al Si se utilizan en toda clase de aparatos eléctricos.
AGENTES DESGASIFICADORES.- Los agentes desgasificadores como el Si y el Al se añaden al acero con propósito desoxidante.
El Al se usa también para controlar el tamaño de grano.
El Ca y los metales de tierras raras, cuando se añaden a un baño de fundición,
- Tienen los mismos efectos depositantes
- Forman óxidos complejos u oxisulfuros
- Pueden mejorar notablemente la conformabilidad mediante el control del perfil de los sulfuros
Fósforo.- Cuando se disuelve una cantidad menor a un 0,20% P, es un endurecedor muy efectivo. Los contenidos superiores al 0,20% P, para diversos tipos de aceros al C, reducen la resistencia
al choque y disminuyen su ductilidad para trabajos en frío (acritud), debido a un tamaño ampliado
del grano que provoca la segregación, efecto dañino que aumenta con el contenido de C.
El P resulta efectivo en la mejora de la maquinabilidad de los aceros mecanizables, lo que está
relacionado con su efecto de fragilidad, que permite virutas susceptibles de romperse en el proceso
del mecanizado.
En los aceros aleados destinados a la construcción de calderas, el contenido permisible de fósforo es menor que en los aceros mecanizables, siendo la presencia de P censurable con vistas a las
operaciones de soldadura.
El P se utiliza como elemento de aleación (hasta el 0,15%) en aceros de baja aleación y en los
de alta resistencia, que requieran mayor límite elástico y más resistencia a la corrosión atmosférica.
Frente a ciertos ácidos, un alto contenido en P puede aumentar la velocidad de corrosión.
Azufre.- En general, es un elemento indeseable en todos los aceros, por lo que se han desarrollado muchos procesos para evitar su presencia en los mismos. No obstante, en algunos casos se
añade S al acero para aumentar su maquinabilidad, empleándolo como los demás aditivos que mejoran la mecanización, como el P, Ca, Pb, Bi, Se y Te.
Varios de estos elementos son virtualmente insolubles en el acero; tienen puntos de fusión
muy bajos o forman compuestos que tienen bajos puntos de fusión, por lo que pueden dar lugar a
fragilidad del metal líquido o fragilidad en caliente, incluso a temperaturas moderadamente altas.
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Materiales.VII.-275
Como la industria de pasadores y pernos se inclina siempre por el uso de aceros de fácil mecanización, dados los beneficiosos efectos que tiene tal elección sobre su fabricación, los constructores
de calderas deben tener mucho cuidado al utilizar pasadores roscados a altas temperaturas.
VII.5.- TRATAMIENTOS TERMICOS
Las cualidades de los aceros se alteran modificando su estructura mediante un tratamiento
!- Cumplimentar unos requisitos de dureza o de ductilidad
#- Mejorar la aptitud frente al mecanizado (maquinabilidad)
##
- Afinar el grano de la estructura
térmico determinado, para: "
#- Aliviar tensiones internas
#- Alcanzar mayores niveles de alta resistencia
#$- Mejorar propiedades frente al impacto, etc
RECOCIDO.- Es un tratamiento térmico que se aplica a procesos, como el recocido de regeneración, de solubilización, de estabilización, intercrítico, isotermo e intermedio.
Recocido de regeneración.- Se realiza calentando un acero ferrítico por encima de la temperatura de transformación crítica A3, Fig VII.5, manteniéndose a esa temperatura durante un largo
tiempo, para su completa transformación en austenita y, posteriormente, se enfría controlando la
velocidad en un horno hasta menos de 600ºF (316ºC) que afina la estructura granular, obteniéndose
un material relativamente blando y dúctil que, prácticamente, está libre de tensiones internas.
Recocido de solubilización.- Se efectúa calentando un acero inoxidable austenítico hasta
una temperatura que diluye la mayor parte de los carburos, permaneciendo a esta temperatura durante el tiempo suficiente para lograr el crecimiento del grano y enfriándose a continuación en agua
o en otro líquido para templarle, impidiéndose la precipitación de la mayoría de los carburos; con
este proceso de recocido de solubilización se alcanzan óptimas resistencias a la termofluencia y a la
corrosión.
Para muchas aplicaciones en calderas, los aceros inoxidables austeníticos requieren una elevada resistencia del grano grueso a la termofluencia, no precisándose una alta resistencia a la corrosión acuosa ya que sólo van a estar expuestos al vapor seco y a gases de combustión, por lo que se
utiliza el recocido de solubilización para completar el crecimiento del grano, no siendo necesario el
templado.
Recocido de estabilización.- Se realiza en aceros inoxidables austeníticos empleados en
ambientes de severa corrosión acuosa. El acero se somete a un recocido de solubilización y, posteriormente, se recalienta hasta 1600ºF (871ºC) manteniéndose a esta temperatura.
Inicialmente los carburos de Cr precipitan en los contornos de los granos que constituyen el
acero y, como esos granos son complejos con contenidos en Cr muy altos, la austenita próxima a los
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Materiales.VII.-276
contornos de los granos se empobrece en Cr, por lo que el acero es susceptible de recibir un ataque
corrosivo, pero al mantenerlo a 1600ºF (871ºC) el Cr residual en la solución de austenita se redistribuye dentro de los granos, restaurándose así la resistencia a la corrosión, incluso en las zonas próximas al contorno de los granos.
Recocido intercrítico y recocido isotermo.- Estos recocidos son similares, y suponen el calentamiento de un acero ferrítico hipoeutectoide, por encima de la temperatura crítica de transformación A1, Fig VII.5, y por debajo de la crítica superior A3, disolviendo todos los carburos de Fe, pero no transforma toda la ferrita en austenita. A partir de la temperatura alcanzada se procede a un
enfriamiento lento que produce una estructura de ferrita y perlita, a través de A1, que está libre de
tensiones internas.
a) En el recocido intercrítico el enfriamiento lento del acero se continúa dentro del horno, en forma similar a lo realizado en el recocido de regeneración
b) En el recocido isotérmico el recocido se detiene justamente bajo A1, asegurándose así la completa
transformación de la ferrita y perlita y se elimina la posible formación de vainita
Recocido intermedio.- Es un recocido subcrítico que se realiza a temperaturas por debajo de
la temperatura crítica inferior A1, entre 950ºF (510ºC) y 1300ºF (704ºC); no afina el grano, ni disuelve la cementita, pero mejora la ductilidad y reduce las tensiones residuales de todos los aceros endurecidos por medios mecánicos (acritud).
Esferoidización.- Es un tipo de recocido subcrítico, utilizado para ablandar el acero y mejorar su maquinabilidad. Consiste en el calentamiento de la perlita fina durante mucho tiempo, justo
por debajo de la temperatura crítica inferior del acero, seguido de un enfriamiento muy lento, lo que
permite obtener perlita globular.
NORMALIZADO.- Es una variante del recocido de regeneración, ya que una vez realizado el
calentamiento por encima de la temperatura crítica superior, el acero a normalizar se enfría en el
aire, en lugar de hacerlo en un horno con atmósfera controlada.
En algunas ocasiones la normalización se emplea como un proceso de homogeneización para
asegurar la eliminación de la historia previa de fabricación o de tratamientos térmicos anteriores.
El normalizado alivia las tensiones internas provocadas por el proceso de elaboración y produce la suficiente ductilidad y maleabilidad para una gran diversidad de aplicaciones; facilita materiales más duros y tenaces que los que salen del recocido de regeneración.
TEMPLE.- Este proceso tiene lugar cuando los aceros de alto contenido en C se calientan para
producir austenita y posteriormente se enfrían rápidamente en un líquido, como agua o aceite.
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Materiales.VII.-277
En el proceso de templado la austenita se transforma en martensita a temperaturas inferiores
a los 400ºF (204ºC), dependiendo del contenido en C y del tipo y cantidad de los elementos de aleación del acero. Es la forma más dura de los aceros tratados térmicamente y tiene alta resistencia y
buen comportamiento frente a la abrasión.
REVENIDO.- Es un proceso que se aplica después de la normalización o del temple, en aceros
enfriados al aire; es un tratamiento secundario que suprime la fragilidad permitiendo ciertas transformaciones en la estructura del acero templado; consiste en un calentamiento por debajo de la temperatura crítica inferior A1 seguido de un enfriamiento con la velocidad que se desee.
Con el revenido se pierde algo de dureza pero se incrementa la tenacidad y se reducen y eliminan las tensiones inducidas por el temple instantáneo.
Cuanto más alta sea la temperatura del revenido, tanto más blandos y tenaces serán los aceros sometidos al proceso, que pueden llegar a ser frágiles cuando se efectúa un enfriamiento lento a
partir de ciertas temperaturas; para solventar este problema, éstos aceros se someten a un enfriamiento instantáneo desde la temperatura de revenido.
Tratamientos térmicos posteriores a la elaboración.- Frecuentemente se aplican para
restaurar unas condiciones más estables y libres de tensiones residuales. Entre ellos se encuentran
los tratamientos posteriores al soldeo (suavizado de soldaduras), los de postconformado y el de solubilización.
VII.4.- PROCESOS DE FABRICACIÓN
El trabajo en frío es cualquier trabajo mecánico que se realiza sobre un metal por debajo de su
temperatura de recristalización, mientras que el trabajo en caliente es el trabajo mecánico efectuado
a una temperatura superior a la de recristalización; el recocido que se efectúa a esta temperatura,
retrasa el endurecimiento provocado por los medios mecánicos (acritud).
La temperatura de recristalización depende de la velocidad de deformación. Si el material se
ha formado a una temperatura menor que la de recristalización, el proceso es un trabajo en frío que
incrementa la dureza, la resistencia a la tracción y el límite de fluencia del acero, reduciendo su
ductilidad, o lo que es lo mismo, el alargamiento y la sección transversal.
La magnitud del endurecimiento por acritud con el consiguiente crecimiento de los granos en
la dirección de la deformación, depende de la extensión del trabajo en frío y del propio material; si el
endurecimiento por acritud provocado por las operaciones de conformación llega a ser excesivo,
cualquier operación mecánica posterior puede provocar la fractura del material.
Las diversas variedades que existen del trabajo en caliente, comprenden la forja, laminación,
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Materiales.VII.-278
prensado, moldeo por inyección, punzonado, recalcado, curvado y doblado. En la mayoría de estas
operaciones el material se comprime hasta lograr el perfil deseado, implicando todas ellas algún
grado de orientación en la estructura interna.
Si el material experimenta transformaciones de fases u otros procesos de recristalización, se
mantiene algún grado de orientación y afecta a los óxidos, sulfuros y otras inclusiones no disueltas
durante el trabajo en caliente o el tratamiento térmico correspondiente. Según sea el tipo de aplicación dada al acero, la orientación resultante puede que no tenga ningún efecto útil o perjudicial; por
ejemplo, las chapas laminadas que frecuentemente tienen propiedades inferiores en la dirección de
su espesor, debido a la retención de inclusiones segregadas en el plano medio y a la orientación predominante de sus granos en las direcciones de longitud y anchura, puede provocar un tipo de fallo
conocido como desgarro laminar, si no se redirecciona convenientemente la solicitación del material.
La laminación en caliente de los aceros al C y de baja aleación, se utiliza frecuentemente para
configurar las secciones de calderines y recipientes a presión, siempre a temperatura superior a A3.
Antes de la conformación se necesitan determinadas temperaturas y tiempos de calentamiento para asegurar que los productos resultantes tengan el tamaño de grano fino deseado y, consecuentemente, una buena tenacidad y evitar que se produzca una excesiva oxidación superficial.
OPERACIONES DE TRABAJO EN FRÍO.- Se utilizan en la elaboración de componentes de
calderas, y son la laminación, forja, curvado o doblado y estampado.
La laminación de chapas en frío para fabricar los cuerpos de calderines, viene limitada por la
capacidad y diámetro del tren de laminación; este proceso se aplica en aceros al C, y una vez completada la construcción del calderín cualquier tratamiento se combina, con el suavizado de soldaduras.
El forjado en aplicaciones de baja presión, como la conexión de tubos al colector o al calderín,
se puede hacer por abocardado del tubo en el interior de un manguito torneado interiormente en el
cuerpo del colector o del calderín. Su resistencia depende de la interferencia mecánica entre el tubo
expandido que se deforma plásticamente, y el manguito en el cuerpo que se deforma elásticamente.
El forjado en frío de componentes de caldera se limita normalmente a la conformación final de
carcasas.
⎧ cabeza conformada en frío
Los pasadores roscados usados en calderas pueden ser con ⎨
⎩los filetes de rosca elaborados en frío
El efecto de estas operaciones de conformación se minora con tratamientos térmicos, que vienen detallados en las especificaciones de los pasadores; no obstante, los tratamientos no pueden eli-minar las diferencias microestructurales entre la parte conformada en frío y el resto del pasador, sipfernandezdiez.es
Materiales.VII.-279
⎧- aceros inoxidables austeníticos
tuación que es probable en ⎨
porque no se transforman durante el tra⎩- aleaciones de Ni
tamiento térmico.
En determinados ambientes acuosos los pasadores elaborados con estos materiales suelen
romper en la zona que se encuentra entre la cabeza, conformada en frío, y el cuerpo del pasador.
El curvado en frío se realiza en muchas construcciones de tubos y tuberías que forman parte
de las calderas. Con algunas excepciones, los tubos y las tuberías de aleaciones ferríticas no se tratan térmicamente después del curvado. Los aceros inoxidables austeníticos y las aleaciones de Ni
que se utilizan en las calderas de alta presión, se exponen frecuentemente a temperaturas elevadas,
siendo la energía de deformación del curvado en frío suficiente para provocar, en el transcurso del
tiempo en servicio, la recristalización hasta un tamaño de grano fino.
La temperatura en servicio es insuficiente para inducir el crecimiento del tamaño de grano; el
material con grano de tamaño fino tiene menor resistencia (fluencia) a alta temperatura. Para impedir que al efectuar curvados en frío en estos materiales se presente esta situación, se hacen tratamientos térmicos a alta temperatura (tratamientos de disolución) para estabilizar la estructura de
grano grueso.
VII.5.- SOLDADURA
La soldadura es la unión de dos o más piezas metálicas mediante la aplicación de calor y/o
presión, con o sin la adición de un metal de aporte, para producir una unión local por medio de la
fusión o recristalización, a través de la correspondiente interfaz. La unión de partes a presión y de
partes no presurizadas con otras partes a presión, se realiza casi siempre por medio de una junta
soldada, sobre todo en calderas de alta temperatura y presión, en las que las condiciones de funcionamiento son demasiado severas para la gran mayoría de las juntas o uniones mecánicas (bridas
atornilladas con empaquetadura metálica) y de las juntas o uniones de bronce soldadas.
Fig VII.9.- Clasificación de los procedimientos de soldeo
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-280
Hay muchos procesos de soldeo, siendo el de fusión con aporte de metal el más utilizado para
unir partes a presión, con poca o ninguna presión. En la Fig VII.9, se presenta una clasificación de
los procesos de soldeo, observándose la gran variedad existente.
Metales de aportación.- A consecuencia de las características de la distribución del calor en
el proceso de soldeo, la junta soldada es un compuesto heterogéneo mecánica y químicamente, que
desde un punto de vista metalúrgico, consta de seis regiones distintas, Fig VII.10
- Zona compuesta
- Zona pura
- Interfaz de soldadura
- Zona parcialmente fundida
- Zona afectada térmicamente
- Material base no afectado
La zona compuesta está constituida por la mezcla totalmente fundida del metal de aporte que
interviene en el proceso y del metal base del material a soldar.
La zona pura es una estrecha lámina alrededor de la zona compuesta, al borde del baño de fusión y con composición igual a la del metal base; forma una capa límite de metal base fundido y solidifica antes de mezclarse con la zona compuesta; el conjunto de las zonas compuesta y pura se identifica como zona de fusión.
La interfaz de soldadura configura una frontera que separa el metal base no fundido y el metal solidificado de la soldadura.
La zona parcialmente fundida se presenta en el metal base contiguo a la interfaz de soldadura, y en ella se pueden presentar algunas fusiones puntuales de componentes, con inclusiones o impurezas de bajo punto de fusión.
La zona térmicamente afectada es la porción de metal base en la junta de soldadura, que ha
estado sometida a picos de temperatura lo suficientemente elevados como para poder producir algunos cambios microestructurales en estado sólido.
La zona de material base no afectado es la parte que no ha sufrido cambio metalúrgico alguno.
FACTORES QUE AFECTAN A LA CALIDAD DE LA SOLDADURA
Contenido en ferrita.- Los metales soldados con aceros inoxidables austeníticos, cuando se
enfrían en estado sólido hasta unos 1800ºF (980ºC), son susceptibles de fisuras y microfisuras en caliente, que se minimizan añadiendo un pequeño porcentaje de ferrita sobre la soldadura.
Grafitización.- Durante el enfriamiento y contracción de la soldadura, se produce una depfernandezdiez.es
Materiales.VII.-281
formación plástica y aparecen altas tensiones residuales en la junta soldada.
En los aceros al C y al C-Mo que no contienen potentes formadores de carburos, las zonas de
deformación puntual afectadas térmicamente próximas a las de la soldadura, facilitan espacios que
pueden asumir más fácilmente el normal incremento de volumen, debido a la descomposición de la
cementita en grafito; a unos 900ºF (482ºC), los nódulos de grafito pueden precipitar en estas áreas
de deformación.
Cuando se observan muestras metalográficas de secciones transversales de aceros al C-Mo, los
nódulos aparecen dispuestos en forma de grafitización en cadena; en estas soldaduras la unión entre
el grafito y la matriz de ferrita es muy baja, mucho menor que entre ferrita y perlita o entre ferrita
y cementita. Debido a este fenómeno se han producido roturas en tuberías de vapor sobrecalentado
fabricadas con estos aceros al C-Mo, fallos que se produjeron sin previo aviso, ya que no estuvieron
precedidos de la clásica deformación de las juntas; los riesgos fueron significativos, por lo que se ha
restringido la fabricación de tuberías con acero al C-Mo destinadas al sistema de vapor sobrecalentado.
Tratamientos térmicos posteriores al soldeo.- Una vez finalizado el proceso de enfriamiento, la junta soldada tiene tensiones residuales que, a la temperatura ambiente, son comparables al límite elástico del metal base. El suavizado de estas tensiones residuales mediante tratamiento térmico posterior al soldeo, se efectúa calentando la estructura soldada hasta una temperatura lo suficientemente alta que reduzca el límite elástico del acero a una fracción de su valor a
temperatura ambiente.
Cuando un acero ya no puede soportar el nivel de las tensiones residuales, experimenta una
deformación plástica hasta que las tensiones residuales se reducen al valor del límite elástico, a la
temperatura correspondiente; la Fig VII.11 muestra el efecto del suavizado de tensiones en varios
aceros.
Fig VII.11.- Efecto de la temperatura y el tiempo, en el suavizado de aceros al C y en las tensiones residuales de aceros
La temperatura alcanzada durante el tratamiento térmico de suavizado tiene un efecto mucho
más importante que el tiempo durante el cual se mantiene la estructura soldada a dicha temperatura. Cuanto más próxima se mantenga la temperatura de suavizado a la temperatura de recristalizapfernandezdiez.es
Materiales.VII.-282
ción, tanto más efectiva es la disminución de las tensiones residuales, siempre que se empleen los
adecuados gradientes de calentamiento y enfriamiento.
Desgarro laminar.- En las calderas y recipientes a presión, hay que
considerar el efecto metalúrgico de las tensiones residuales, fenómeno
conocido como desgarro laminar, que puede ocurrir cuando se suelda un
elemento a una placa, Fig VII.12, configurando una unión en T. Esto se
presenta cuando la placa contiene sopladuras, rechupes, inclusiones u
otros defectos de segregación interna, paralelos a la superficie de la placa.
En tales circunstancias, las tensiones residuales de la contracción pueden
ser suficientes para producir un desgarro paralelo a la superficie de la placa de la unión en T configurada.
Unión de metales distintos.- En determinados casos se puede necesitar una unión soldada
entre un acero austenítico y otro ferrítico; desde que se introdujeron los aceros inoxidables austeníticos en las construcciones tubulares de los sobrecalentadores en calderas, estas uniones han presentado fallos en las soldaduras.
Para reducir estos problemas, durante mucho tiempo se utilizaron materiales de aporte con
base de Ni, pero ésto no se puede considerar una solución definitiva; el fallo de estas soldaduras se
provoca por:
- Las tensiones inducidas por el sistema
- La posición de sus componentes
- El curvado de elementos
La mejor alternativa sigue siendo evitar la soldadura entre metales distintos, empleando materiales aleados ferríticos de alta resistencia, como el (9Cr +1Mo +V), para tubos y tuberías, siempre
que lo permitan las condiciones particulares del proyecto.
VII.6.- MATERIALES UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE CALDERAS
Aceros.- Casi todos los materiales utilizados en la construcción de calderas y recipientes a
presión son aceros; gran parte de los componentes se fabrican con aceros al C que se emplean para
la mayoría de las partes a presión y de partes no presurizadas, como calderines, colectores, tuberías,
revestimientos, conductos de aire y humos, etc.
⎧- C por debajo de 0,15% C
⎪⎪- C medio-bajo entre 0,15%÷0,23% C
Según su contenido en C los aceros se definen con ⎨
⎪- C medio-alto entre 0,23%÷0,44% C
⎪⎩- C alto superior a 0,44% C
Desde el punto de vista del diseño, se consideran aceros altos en C los que tienen más de
0,35%C, y no se deben utilizar en las partes a presión de construcciones soldadas.
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-283
Los aceros de bajo contenido en C tienen una utilización muy extendida en la construcción de
partes de baja presión, en donde la resistencia no sea un factor significativo de diseño. En la mayor
parte de las aplicaciones estructurales y en casi todas las partes a presión, predominan los aceros de
C medio con unos contenidos entre 0,20% y 0,35% C.
⎧- calmados
⎪
Los aceros al C se designan también como ⎨- semicalmados y efervescentes , según sea el punto
⎪⎩- de efervescencia interrumpida
del proceso de refino del acero en el que se haya interrumpido la reacción C-O2.
Durante el proceso de fabricación del acero, el O2 introducido para su refino se combina con el
C para formar un gas. Si el O2 introducido no se elimina, o se combina con adición de Si, Al u otros
agentes desoxidantes, antes o durante la fundición, los productos gaseosos se continúan desprendiendo durante la solidificación en el molde correspondiente. La cantidad de gases desprendidos durante la solidificación determina el tipo de acero y el porcentaje de C que queda en el mismo.
- Aceros calmados.- Son los aceros que se emplean en la construcción de calderas. No se desprenden gases durante la solidificación, permaneciendo el acero líquido en reposo dentro del molde.
- Aceros semicalmados y efervescentes.- Son aquellos en los que, gradualmente, se produce un
incremento en la cantidad de gases desprendidos.
- Aceros microaleados.- Son aceros al C a los que se les añade pequeñas cantidades de elementos de aleación Va y Bo (inferiores al 1%), para obtener resistencias más elevadas; estos aceros se
usan muy poco para partes a presión, pero están ganando terreno como aceros estructurales.
Los elementos residuales están presentes en los aceros en pequeñas cantidades, y son distintos de los que se añaden a propósito durante el proceso de fabricación del acero, como elementos de
aleación o como agentes desgasificadores; su origen está en la chatarra o mineral de Fe que se utiliza en la carga del horno de fundición; algunos elementos residuales encontrados en los aceros al C
son: Cu, Ni, Cr, Va, Bo, Sb, Sn, S y P cuyas concentraciones admisibles se limitan en las respectivas
especificaciones, porque degradan la ductilidad.
Los elementos residuales Sb, Sn, S y P intervienen de forma importante en la fragilidad por
revenido. Antiguamente los elementos residuales no se eliminaban, con excepción del S y P, ni se
indicaban en los informes analíticos, pero actualmente hay elementos residuales que tienen límites
fijados en sus especificaciones.
Los aceros de baja y media aleación son los que siguen en importancia, dentro de los aceros
que se usan en la construcción de calderas; se caracterizan por contenidos de Cr hasta el 11,5% y de
cantidades menores de otros elementos; las combinaciones más comunes suelen ser:
C+
1
2
Mo ;
1
2
Cr +
pfernandezdiez.es
1
2
Mo ; 1 Cr +
1
2
Mo ; 1 1 Cr +
4
1
2
Mo + Si ; 2 1 Cr + 1 Mo ; 9 Cr + 1 Mo + V + Ti + B
4
Materiales.VII.-284
Acero (C + 0,5 Mo). - Debido a la excepcionalidad del Mo para mejorar la resistencia del acero
al C, el tipo (C + 0,5 Mo) tiene muchas aplicaciones en componentes a presión, en el intervalo de
⎧700°F÷975°F
temperaturas ⎨
; hay que tener en cuenta la tendencia de estos aceros a la grafitización
⎩ 271°C÷524°C
a temperaturas mayores de 875ºF (468ºC).
Acero (C + Mo).- En el interior de la caldera los fallos por grafitización no representan un riesgo contra la seguridad, por lo que los tubos de (C-Mo) tienen muchas aplicaciones hasta 975ºF
(524ºC), por su limitada oxidación.
Dado que el Al provoca la grafitización, el acero (C-Mo) es normalmente un acero calmado por
el Si y, en consecuencia, tiene una estructura de grano grueso.
Los componentes de (C-Mo) tienen tendencia a fallos por fragilidad a bajas temperaturas, lo
que no constituye ningún problema durante el servicio, por cuanto las aplicaciones se realizan en el
campo de las altas temperaturas.
La resistencia a la oxidación de los aceros de baja aleación se incrementa con el contenido en Cr
Acero (0,5 C + 0,5 Mo).- Este es el más común, dentro de la familia del (Cr-Mo), que tiene la
misma resistencia que el (C-Mo) al que ha sustituido en muchas aplicaciones; se desarrolló en respuesta a los fallos por grafitización que se presentaban en tuberías de (C-Mo) y se ha comprobado
que basta la adición de 0,25% Cr para inmunizar el acero frente a la grafitización.
⎧1 Cr + 0,5 Mo
Aceros ⎨
.- La familia de aceros de la serie (Cr-Mo), está formada por estos
⎩1, 25 Cr + 0,5 Mo + Si
dos aceros casi idénticos; el que lleva Si es más resistente a la oxidación. Un análisis detallado indica que el (1 Cr + 0,5 Mo) es más resistente entre
{
800° F ÷ 1050° F
, por lo que en este intervalo de
427°C ÷ 566°C
temperaturas desplaza al (1,25 Cr + 0,5 Mo + Si).
Acero (2,25 Cr +1 Mo).- Este acero constituye la aleación óptima para resistencia a las altas
⎧975°F÷1115°F
temperaturas, en el intervalo ⎨
⎩ 524°C÷602°C
⎧ 3 Cr + 1 Mo
⎪
Aceros ⎨ 5 Cr + 0,5 Mo .- Estas aleaciones que contienen del 3 al 9% Cr son menos resistentes, y
⎪⎩9 Cr + 1 Mo
se aplican cuando se desea una mayor resistencia a la oxidación y tolerar menores solicitaciones. La
mayor templabilidad al aire de estos aceros, que crece con el contenido de Cr, complica los procesos
de fabricación y encarecen su utilización.
Las aleaciones (Mn - Mo) y (Mn - Mo - Ni) tienen una limitada utilización en generadores de vavapor que queman combustibles fósiles; su resistencia es ligeramente mayor que la de los aceros al
C, lo que induce a su empleo en grandes componentes, con una importante relación (resistencia/pepfernandezdiez.es
Materiales.VII.-285
so); su mayor tenacidad los ha hecho muy populares en su aplicación para vasijas de reactores nucleares.
Aleaciones altas de (Cr-Mo).- Como consecuencia de su tendencia a la fragilidad, los aceros
⎧9 Cr + 1 Mo
martensíticos ⎨
, no se han aplicado mucho en la construcción de recipientes a presión y
⎩12 Cr + 1 Mo
tuberías de vapor sobrecalentado en plantas energéticas; el (9 Cr+1 Mo) tiene mayor resistencia, tenacidad y soldabilidad, a temperaturas hasta 1200ºF (649ºC), gracias a la adicción de elementos
aleados y a la microestructura totalmente bainítica resultante del normalizado y revenido, para utilizarlo en los tubos de generadores de vapor, que trabajan con líquidos refrigerantes en reactores
nucleares reproductores.
La aleación (9 Cr + 1 Mo + Va + Ti + B) tiene el doble de resistencia que la (2,25 Cr + 1 Mo) a
1000ºF (539ºC) por lo que la está desplazando en las aplicaciones para colectores de alta presión; los
recipientes construidos con este acero:
- Son más delgados
- Tienen tensiones residuales más reducidas
- Dan lugar a menor número de fallos asociados a la fatiga por fluencia, en comparación con los aceros
⎧ 2,25 Cr + 1 Mo
⎩1,25 Cr + 1,25 Mo + Si
para colectores ⎨
- Son más resistentes que el inoxidable austenítico hasta los 1125ºF (607ºC), por lo que este acero se está
sustituyendo también en aplicaciones para tubos de alta presión
⎧12 Cr + Mo
En la industria europea de calderas se utilizan con frecuencia el ⎨
⎩12 Cr + Mo + Va
Todas las tentativas que se han hecho para reducir el uso de aceros inoxidables en calderas,
por su alto coste, se han desechado porque la resistencia a la corrosión que ofrecen los hacen favoritos. Los aceros inoxidables aportan la posibilidad de operar a temperaturas superiores a 1100ºF
(583ºC), aunque el acero (9 Cr + 1 Mo + Va + Ti + B) puede restringir tal posibilidad.
Para temperaturas algo inferiores, del orden de 1050ºF (566ºC), los aceros inoxidables desplazan con frecuencia a los aceros ferríticos (Cr-Mo), en aquellos casos en que se utilice una menor caída de presión, por tener menor espesor las paredes de los componentes.
ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS.- Las aleaciones comunes de aceros inoxidables
que se utilizan en partes de calderas a presión, son:
304 (8 Cr + 8 Ni) ; 321 (18 Cr + 8 Ni + Ti) ; 347 (18 Cr + 8 Ni + Nb) ; 316 (16 Cr + 12 Ni + 2 Mo) ;
309 (25 Cr + 12 Ni) ; 310 (25 Cr + 20 Ni ) ; 800 (20 Cr + 30 Ni)
Desde el punto de vista tecnológico, la aleación (20 Cr + 30 Ni) no es ferrosa ya que tiene mepfernandezdiez.es
Materiales.VII.-286
nos del 50% de Fe; sin embargo, como es similar a los demás aceros inoxidables, se puede considerar
como uno más del grupo. Como a alta temperatura la resistencia mecánica de estos materiales depende de un moderado contenido en C y de un tamaño de grano grande, los materiales con estas
cualidades se especifican para servicios a alta temperatura.
Las aleaciones anteriores, tras una prolongada exposición a temperaturas comprendidas entre
⎧1050°F÷1700°F
, son susceptibles de formar la fase sigma, que disminuye la tenacidad y la ductili⎨
⎩ 566°C÷972°C
dad, pero no tiene influencia sobre la resistencia mecánica o la corrosión.
El acero (18 Cr + 8 Ni + Ti) es un acero estabilizado y tiene importantes aplicaciones a baja
temperatura, pero la estabilidad del carburo de Ti hace muy difícil cualquier tratamiento térmico;
además se suele obtener una estructura que tiene, a la vez:
- Grano grueso para resistencia a la fatiga por fluencia a alta temperatura
- Carburos estabilizados para resistencia de sensibilidad
Se le puede aplicar un tratamiento térmico de estabilización a baja temperatura, 1300ºF,
(704ºC), seguido de un tratamiento de la disolución para lograr una buena resistencia a la fluencia.
En el acero (18 Cr + 8 Ni + Nb) la estabilidad de los carburos de Nb es mejor; esta aleación se
puede tratar térmicamente para alcanzar resistencia a la fluencia, por lo que se emplea mucho en
altas temperaturas.
El contenido en Mo del acero (16 Cr + 8 Ni + 2 Mo) incrementa la resistencia a la corrosión alveolar o picado a bajas temperaturas; este acero tiene buena resistencia a la termofluencia, pero no
se suele usar por su elevado coste.
Todas estas aleaciones de aceros aleados austeníticos, si se utilizan a temperaturas superiores
a 1000ºF, (538ºC), requieren de un tratamiento térmico a alta temperatura después de su conformado en frío. La energía de deformación durante el trabajo en frío puede llevar en algunos casos a la
recristalización y a un grano fino con una modesta resistencia a la fluencia. Estos aceros son susceptibles de fractura por corrosión en ciertos ambientes acuosos, por lo que está prohibida su utilización
en superficies mojadas por agua.
Los tipos (25 Cr + 12 Ni) y (25 Cr + 20 Ni) tienen prácticamente la misma resistencia y el
mismo comportamiento frente a la corrosión.
Las aleaciones altas en Ni están más afectadas por los ataques de sulfuración.
Aceros que se utilizan en partes no presurizadas:
- Aceros
inoxidables ferríticos que contienen al menos un 10% Cr y tienen una estructura de C + ferrita
- Aceros inoxidables martensíticos que son ferríticos en las condiciones del recocido, y martensíticos despfernandezdiez.es
Materiales.VII.-287
pués del enfriamiento rápido desde la temperatura superior hasta la crítica
-
Ningún tipo de acero inoxidable ferrítico se utiliza en partes a presión, o en partes que soporten cargas de los componentes de generadores de vapor a elevada temperatura, a la que tienen buena resistencia a la oxidación. Estos aceros se utilizan en espárragos y clavos para sujetar refractarios y protuberancias de absorción de calor (escudos térmicos); son difíciles de soldar sin que se produzcan fisuras.
Se han desarrollado aceros dúplex con una mezcla de estructuras austenítica y ferrítica, que
se usan en aplicaciones para hacer frente a la corrosión a baja temperatura, como la que se presenta
en los equipos de desulfuración húmeda, empleados como lavadores de gases de calderas.
MATERIALES BIMETÁLICOS.- Existen componentes bimetálicos, de una cierta aleación,
como componente principal para soportar cargas (chapa y tubos), junto con una chapa de revestimiento exterior de otra aleación como elemento resistente a la corrosión.
También se han desarrollado técnicas para revestir la soldadura de una aleación, con otra
aleación diferente.
Los primeros tubos bimetálicos, que tuvieron un amplio uso en calderas, estaban formados por
!- material base de aleación (50%Cr + 50%Ni)
un "
#- revestimiento de aleación (20%Cr + 30%Ni)
Una combinación usada actualmente como tubo bimetálico, en las calderas de licor negro y de
recuperación en la industria papelera, está compuesta por
- acero al C como base
- acero (8 Cr + 8 Ni) el resto
{
Otra combinación de tubos bimetálicos habitual en las calderas que queman residuos urbanos,
! acero al C con (1,5 Cr + 1,5 Mo) como base
está compuesta por un "
# revestimiento de aleación (42 Ni + 21,5 Co + 5 Mo + 2,3 Cu)
FUNDICIONES.- Los tipos de fundición de Fe empleados en las partes a presión de las calderas, puede ser de tres tipos: fundición blanca, fundición gris y fundición dúctil.
Fundición blanca.- Se denomina así por la estructura plateada que presenta la superficie de
su fractura; el C está presente en forma de cementita (Fe3C) y es el responsable de su dureza, fragilidad y difícil mecanización.
El Fe moldeado difiere de la fundición blanca en el proceso de fabricación, pero su comportamiento es similar. El Fe moldeado se funde en el interior de moldes metálicos, que provocan un rápido enfriamiento en las superficies de contacto, con la consiguiente formación de cementita en dichas superficies, por lo que la estructura de la fundición blanca, o del Fe moldeado, se caracteriza
por su gran resistencia al desgaste y la abrasión. Existen aleaciones que contienen una serie de funpfernandezdiez.es
Materiales.VII.-288
diciones blancas enriquecidas con Ni, que se emplean en molinos pulverizadores y en partes de otros
equipos que requieren resistencia al desgaste; siempre se han distinguido por una muy notable uniformidad y muy alta calidad (ELVERITE).
La VAM-20 es una fundición blanca con 20% Cr, con carburos en una matriz martensítica,
siendo de gran dureza y excelente ductilidad en comparación con otras fundiciones blancas, al tiempo que su dureza y resistencia al desgaste es superior a la de las aleaciones ELVERITE. Siempre se
la aplica un tratamiento térmico que garantice su buena ductilidad y uniformidad y se usa en pulverizadores de molinos de carbón.
El Fe fundido maleable es una fundición blanca tratada térmicamente para cambiar la cementita en C libre, o en C revenido (nódulos de grafito).
Fundición gris.- Es la más utilizada; en ella el C se encuentra en estado libre, en forma de
escamas de grafito, que forman una multitud de entalladuras y discontinuidades en la matriz de Fe.
El aspecto de su superficie de fractura es de color gris, porque quedan a la vista escamas de grafito.
La resistencia mecánica del Fe aumenta conforme decrece el tamaño de grano del grafito y crece la
cantidad de cementita.
La fundición gris es fácilmente mecanizable, ya que el C está en forma de grafito:
- Cuando esta fundición se mecaniza se comporta como un lubricante
- Facilita las discontinuidades que rompen las microplaquetas en cuanto éstas se forman
Las fundiciones grises actuales tienen un amplio campo de resistencias a la tracción en el intervalo
{
20.000 ÷ 90.000 psi
, siendo aptas para alearse con Ni, Cr, Mo, Va y Cu
38 ÷ 621 MPa
Fundición dúctil.- Es un producto férreo con alto contenido en C tratado con Mg, en el que
existe grafito en forma esferoidal o en partículas encastradas; es similar a la fundición gris, en
cuanto al punto de fusión, fluidez y mecanización, pero posee propiedades mecánicas superiores; está especialmente indicada para el moldeo por inyección y fundición centrifugada.
Mediante métodos especiales se puede obtener una superficie resistente a la abrasión, contiene carburos y el interior es muy dúctil.
No se utiliza en las partes a presión de las modernas calderas de vapor para plantas de generación de energía, pero sí en equipamientos complementarios, como componentes de alimentadores
y anillos de molienda de pulverizadores.
Aceros colados.- Los aceros colados, o fundidos, se utilizan en muchas aplicaciones de accesorios propios de soportes y alineación de calderas y para algunas partes a presión que tengan perfiles muy complejos. Las aleaciones de acero fundido cubren un campo que va desde el acero al C y
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-289
(2,25 Cr + 1 Mo), hasta (25 Cr + 12 Ni) y (50 Cr + 50 Ni).
MATERIALES CERÁMICOS Y REFRACTARIOS.- Se usan por sus propiedades aislantes y
resistentes a la abrasión. Muchos de los antiguos diseños de hogares estaban conformados con paredes de ladrillos que en la actualidad se han sustituido por paredes membrana de acero; sin embargo,
existen un gran número de instalaciones de paredes membrana, que cuentan con una protección de
refractario que puede estar apisonado, enlucido o fundido sobre ellas.
Los revestimientos de refractario se utilizan en hogares que, durante su funcionamiento, están expuestos a manipular cenizas fundidas.
⎧- quemador ciclón (hogar ciclón)
En las calderas con ⎨
se utilizan productos refractarios, cuya ba⎩- cenizas fundidas
se es el carburo de Si, alúmina o Cr, que se aplican proyectados o enlucidos.
Existe un producto cerámico de alúmina de alta densidad utilizado en los codos de tuberías
⎧- como revestimiento contra la erosión
⎪
que conducen aire primario + carbón pulverizado ⎨- en componentes internos de pulverizadores de carbón
⎪⎩- en válvulas mariposa de los molinos
con vistas a reducir la abrasión y el coste de mantenimiento (Cera-VAM).
En los equipos de filtrado de gases calientes en las plantas de ciclo combinado, se introducen
productos cerámicos que eliminan o separan las partículas en suspensión que llevan los humos de
las calderas de lecho fluidificado, antes de que entren en la turbina de gas.
VII.7.- ENVOLTURAS Y PROTECCIONES
Sobre las partes metálicas de una caldera se pueden aplicar por chorreado muchos tipos de
delgadas envolturas metálicas, protecciones y revestimientos que, generalmente, suelen contener
diversos carburos. Estas envolturas se pueden aplicar también sobre otras partes de calderas expuestas a la erosión y a la corrosión causadas por los productos de la combustión, mediante:
- Metalización por soplete
- Plasma
- Procesos especiales de combustión de alta velocidad de un combustible con O2
Una aplicación particular es la relativa a las superficies de las calderas de lecho fluidificado,
expuestas a la erosión por partículas sólidas que arrastran los gases a alta velocidad.
Estos procedimientos son de mantenimiento, para proteger y reparar componentes que hayan
⎧- proteger la superficie
experimentado desgastes; para ello hay que ⎨
, para garanti⎩- efectuar un cuidadoso control del proceso
zar que las envolturas queden bien adheridas, de forma que en toda la superficie tratada, se tengan
la densidad adecuada y el espesor recomendable.
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-290
Cromado.- Consiste en obtener una superficie, resistente a la
- oxidación
con alto contenido
- exfoliación
{
en Cr.- Las partes a presión que conducen vapor a alta temperatura, sufren siempre oxidación en su
superficie interna; cuando la capa de óxido alcanza el espesor suficiente, el óxido se desprende de la
superficie y sus partículas se pueden arrastrar a la turbina de vapor, provocando daños por erosión
que conducen a pérdidas de rendimiento y a situaciones de riesgo en los equipos. Para minimizar
estos efectos, no se precisa un cromado perfecto y total de la superficie interna de las tuberías, ya
que con cromar el 95% de la superficie susceptible de exfoliarse, se puede lograr una reducción importante de partículas exfoliadas, del orden de la vigésima parte de las presentes sin cromado.
En los procesos de cromado por deposición de vapores químicos, las superficies a envolver se
cubren con una mezcla que contiene un polvo metálico que constituye la envoltura; por ejemplo, el
Cr va en una sal halógena y el polvo refractario utilizado es alúmina; cuando la mezcla y la parte a
tratar se calientan a una temperatura suficientemente alta, la sal se descompone y el polvo metálico
reacciona con el haluro para formar un gas, CrCl2 ó CrBr2, produciéndose sobre la superficie una
reacción de intercambio mediante la cual un átomo de Fe sustituye al Cr en el gas y el Cr se deposita en la superficie. El proceso se mantiene durante el tiempo y temperatura necesarios, para que el
Cr se difunda en la superficie del material.
Cuanto más Cr se deposite en la superficie, más se incrementa la estabilidad de la base ferrítica por lo que el frente de dilución avanza en la matriz, produciendo una zona de difusión con un
⎧0,002"÷ 0,025"
contenido en Cr casi constante; el espesor de esta zona de difusión es de ⎨
⎩0,051 mm ÷ 0,640 mm
A la temperatura de cromado el (2,25 Cr + 1 Mo) es austenítico; en un sustrato, la capa de difusión tiene un contenido mínimo del 13% Cr.
En la actualidad el cromado se aplica a las superficies exteriores de las partes de calderas a
presión, para reducir y prevenir la corrosión y los daños por fatiga, requiriéndose una envoltura
prácticamente perfecta, con espesores mucho mayores, que resista ambientes externos hostiles.
Aluminización.- Es un proceso de deposición de vapores químicos, similar al cromado, que se
ha empleado para proteger diversos componentes de recipientes a presión instalados en plantas de
procesos petroquímicos. Como la alúmina es soluble en el vapor a alta presión y temperatura, se
puede a-rrastrar por éste hacia la turbina, en la que se produciría su deposición al producirse la caída de presión y temperatura en el proceso de expansión del vapor, lo que no es conveniente.
Envolturas refundidas.- Para la protección contra la corrosión se utilizan envolturas metálicas refundidas, que son revestimientos aplicados con pistola. El material de estas envolturas está
constituido por carburos de W-Cr, y se aplica en las paredes tubulares de membrana, o en los revestimientos básicos de hornos para afinar aceros con O2, etc.
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-291
Galvanización.- Consiste en aplicar una capa de cinc por
- inmersión en un baño de este metal
- técnicas de electrodeposición
{
a componentes estructurales externos de la caldera, cuando el montaje de la misma tiene lugar en
una atmósfera marina o en complejos petroquímicos; para evitar daños estructurales debidos a la
fragilidad del plano de exfoliación del cinc, los componentes galvanizados se deben mantener alejados de las zonas de alta temperatura.
VII.8.- PROPIEDADES MECÁNICAS A BAJA TEMPERATURA
En las calderas se utilizan aceros que deben tener unas propiedades determinadas, que satisfagan las necesidades de fabricación y de funcionamiento del componente que lo incorpora, por lo
que hay que realizar ensayos para demostrar que el acero en cuestión tiene estas propiedades.
⎧ estandarización de las especificaciones de las muestras a ensayar
⎪
Las normas ASTM establecen la ⎨metodología de ensayos
⎪⎩ frecuencia de los mismos
ENSAYO DE TRACCIÓN.- Con él se determina la carga máxima que puede soportar un material antes de romper; la relación entre la carga por unidad de sección transversal (tensión) y el correspondiente alargamiento, (aumento de longitud en
% de la longitud primitiva), se representa en un diagrama de coordenadas tensión-alargamiento, Fig
VII.13 y 14. El metal en forma de probeta de material
dúctil, con composición homogénea y sección recta
uniforme, sometido a un esfuerzo longitudinal, empieza a alargarse y durante un intervalo de carga
creciente se registra un alargamiento proporcional a
la tensión correspondiente.
La zona correspondiente a este intervalo es el campo
elástico y en él el material cumple la ley de Hooke; el alargamiento es proporcional a la tensión,
siendo la constante de proporcionalidad el módulo de elasticidad E (módulo de Young).
Para el acero, el módulo de Young es del orden de 30.106 psi, a la temperatura ambiente.
Si en cualquier punto de la región elástica cesa la tensión, la probeta de ensayo adquiere prácticamente las dimensiones iniciales.
Cuando la tensión se incrementa por encima de un cierto valor, el material no tiene un comportamiento elástico, adquiere un alargamiento permanente y tiene un comportamiento plástico, no
existiendo una relación lineal entre la tensión y el alargamiento. El valor que separa las regiones
elástica y plástica es el límite elástico teórico, que se define como la máxima tensión que se puede
aplicar antes de que se presente un alargamiento permanente.
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-292
Cuando el material tiene un punto bien definido a partir del cual continúa el alargamiento sin
incremento de la carga, se identifica como punto de fluencia (relajamiento). Muchos aceros no tienen
punto de fluencia y a veces, en los que lo tienen, no se identifican con exactitud ni éste, ni el límite
elástico.
El límite de fluencia se define como la tensión con la que la probeta metálica alcanza un alargamiento del 0,2% de la longitud inicial, Fig VII.14, aunque existen aceros en los que el campo plástico comienza antes de llegar a este valor.
Fig VII.14.- Diagrama de tracción (tensión/alargamiento), para el Cu-policristalino
y región elástica e inicial plástica (límite elástico 0,2%)
Si se sigue aplicando tensión después de la fluencia, el material se alarga uniformemente,
disminuye la sección transversal hasta el punto de carga máxima, a partir del cual, en la sección
más debilitada se presenta el fenómeno de la estricción, que es un estrechamiento local transversal
en forma de huso, produciéndose a continuación la rotura.
En los materiales dúctiles se presenta un apreciable incremento del alargamiento en la sección más estrecha de la probeta; cuanto más dúctil es el acero, mayor es el alargamiento antes de la
rotura.
En algunos materiales no se produce la estricción y la sección transversal se reduce más o
menos uniformemente a lo largo de toda la longitud de ensayo, hasta la rotura.
La carga máxima de rotura necesaria para romper la probeta por tracción, dividida por el área
de su sección inicial, es la tensión o coeficiente de rotura.
Los materiales frágiles no presentan fluencia o deformación plástica, por lo que en ellos, prácticamente, coinciden el límite de fluencia y la tensión de rotura.
⎧
⎧
⎪ a la penetración bajo una carga ⎨ estática
ENSAYOS DE DUREZA.- La dureza es la resistencia ⎨
⎩ dinámica
⎪⎩ al rayado, a la abrasión o al taladrado
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-293
⎧- determinados tratamientos térmicos
La dureza indica el efecto de unos ⎨
, y su valor es un indica⎩- procesos de fabricación específicos
tivo de la resistencia a la rotura de los aceros.
La dureza se determina mediante los ensayos Rockwell C (cono), Rockwell B (bolas), Brinell
(bolas), Vickers (pirámide), basados en la medida de la resistencia a la penetración bajo cargas estáticas. La presión se aplica empleando una carga fija durante un tiempo determinado, midiéndose a
continuación la huella con un microscopio. El resultado se expresa como un número que indica la
dureza según el método utilizado, existiendo una equivalencia entre los resultados de los diferentes
ensayos.
La dureza se puede medir también mediante un ensayo dinámico con escleroscopio (ensayo
Poldi), en el que se mide la altura de rebote que alcanza un peso metálico que cae vertical y perpendicularmente sobre la probeta o material a ensayar; a mayor huella menor altura de rebote y menor
dureza.
ENSAYO DE TENACIDAD.- La tenacidad es una propiedad que representa la aptitud de un
⎧- absorber tensiones locales mediante deformación plástica
material para ⎨
, antes de que éste falle.
⎩- redistribuir las tensiones sobre un mayor volumen de material
⎧la velocidad de aplicación de la carga
La aptitud depende de ⎨
⎩ el grado de concentración de las tensiones locales
En la mayoría de los casos la tenacidad depende de la temperatura, aumentando con ésta,
⎧- absoluta
aunque no linealmente; la tenacidad puede ser ⎨
⎩- relativa
Un ensayo de tenacidad relativa lo constituye cualquier ensayo de impacto o de resiliencia sobre una probeta con entalla en posición horizontal y apoyada en sus extremos, que es golpeada con
un péndulo (ensayo Charpy) en su punto medio por la parte contraria a la entalla, Fig VII.15a.
La energía absorbida por la probeta en su rotura está en razón inversa de la altura que alcanza el péndulo después de romperla. La probeta se examina también para:
⎧- determinar el estado de la sección de rotura
⎪
⎨
⎪⎩- cuantificar sobre esta sección lo que corresponde a
⎧- cizallamiento
⎨
⎩- desgajamiento
⎧- energía absorbida, (ft.lb)
⎪
La resiliencia se puede expresar en tres unidades diferentes: ⎨- extensión lateral, (10 -3 in)
, va⎪- cizallamiento porcentual, (%)
⎩
⎧- el material
⎪
lores que dependen de ⎨- la temperatura
, por lo que la comparación de materiales y ensayos
⎪⎩- el tamaño de la probeta
⎧- geometrías de las probetas
sólo tiene sentido cuando las ⎨
, son idénticas.
⎩- condiciones de ensayo
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-294
a) Probeta Charpy; b) Probeta para ensayo de temperatura de transición ductilidad nula; c) Probeta para ensayo de resiliencia
Fig VII.15.- Tipos de probetas para ensayos de resiliencia
Fig VII.16.- Diagrama de absorción de energía-temperatura, en probetas Charpy con entalla en V,
sobre material de chapa SA 299 de grano fino con diversas resiliencias
Otro ensayo de tenacidad es el relativo a la caída libre de un peso; la probeta se representa en
la Fig VII.15b; un peso conocido se deja caer desde una altura fija e impacta sobre la probeta a ensayar; el ensayo se repite sobre una serie de probetas a diversas temperaturas, en tramos de 10ºF
(6ºC), para discriminar finalmente entre rotura sí y rotura no. Si el impacto provoca una fisura suspfernandezdiez.es
Materiales.VII.-295
ceptible de propagarse a partir de la entalla hasta la cara opuesta al impacto, se considera que rompe a la temperatura correspondiente. La menor temperatura a la que falla la probeta define la temperatura de transición de ductilidad nula, en la que se representa un histograma a partir de 20
temperaturas diferentes de calentamiento, sobre un acero de grano fino.
La Fig VII.17 muestra la variación de la resiliencia en función de la temperatura en 22 escalones de temperatura, sobre probetas de un determinado acero al C de grano fino, determinándose
la resiliencia por el ensayo Charpy; este material muestra una transición gradual entre las altas y
bajas resiliencias.
Fig VII.17.- Histograma de temperatura de transición de ductilidad nula,
de una probeta de material SA-299 de grano fino a lo largo de una distribución de 20 calentamientos
Los ensayos de resiliencia a la fractura miden las características y propiedades reales de
un metal; estos ensayos son complejos y las probetas
costosas. Sin embargo, facilitan valores que se pueden
utilizar en el cálculo de tensiones, para determinar el
tamaño crítico de defectos a partir de los cuales se
pueden propagar con pequeños o nulos incrementos
de la carga.
Una probeta para este ensayo de resiliencia es la representada en la Fig VII.15c; para determinar el comportamiento del desarrollo de grietas de fatiga se utiliza la misma probeta.
La Fig VII.18 indica, para un acero revenido, la diferencia entre la velocidad de crecimiento de una grieta
en el aire y en una solución salina, con dos niveles de
tensiones.
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-296
ENSAYOS DE CONFORMACIÓN.- Para determinar el comportamiento de un material durante el proceso de fabricación, se emplean ensayos de deformación, como doblado, aplastamiento,
abocardado y embutición, que determinan la capacidad del material para soportar diversas operaciones de conformación.
VII.9.- PROPIEDADES MECÁNICAS A ALTA TEMPERATURA
⎧- la resistencia a la rotura
Los datos de ⎨
, se determinan a temperatura ambiente y no se pueden
⎩- el límite de fluencia
extrapolar como referencia de las propiedades mecánicas de los metales a altas temperaturas.
La deformación lenta (termofluencia) tiene lugar:
- Para aceros ferríticos a temperaturas superiores a 700ºF (371ºC)
- Para aceros austeníticos a temperaturas superiores a 1000ºF (538ºC)
Las tensiones máximas de trabajo permisibles para materiales férreos en calderas energéticas, se basan en ensayos de larga duración sobre rotura por termofluencia. El Código ASME para
Calderas y Recipientes a Presión, Sección I Calderas energéticas, establece que los valores máximos
de tensión admisible para partes a presión no deben superar el menor de los seis supuestos siguientes:
- El 25% de la mínima resistencia a la tracción que se haya especificado
- De 1,1 hasta 4 veces la resistencia a la tracción para la temperatura que se haya considerado
- El 67% del mínimo límite elástico especificado a temperatura ambiente
- El 67% del límite elástico a la temperatura considerada para los aceros perlíticos, y el 90% del mismo
para los aceros austeníticos y aleaciones de base níquel
- Una media conservadora de resistencia, para dar un gradiente de termofluencia del 0,01% para 1000
horas (1% en 100.000 horas)
- El 67% de la media, o el 80% de la mínima tensión de rotura en 100000 horas
La tensión admisible a mayor temperatura no puede exceder de la que corresponde a una
temperatura menor, de modo que no se tiene ventaja alguna en el comportamiento del envejecimiento por deformación plástica o maduración mecánica; la tensión admisible es, en consecuencia,
el límite inferior de los involucrados en estos criterios.
RESISTENCIA A LA TRACCIÓN.- El diseño de equipos para altas temperaturas requiere
la utilización de ensayos de termofluencia, rotura por fluencia, y ensayos de tracción de corta duración, que facilitan propiedades de la resistencia de los metales hasta que se llega al valor de fluencia
del material. Los ensayos a tracción de corta duración proporcionan información sobre las características de ductilidad que ayudan en el proceso de fabricación.
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Materiales.VII.-297
En la Fig VII.19 se muestran las cargas de rotura de un
acero al C y de unos aceros aleados, en el intervalo de
⎧1300ºF ÷ 1500ºF
temperaturas entre 100ºF (38ºC) y ⎨
⎩704ºF ÷ 916ºC
Los resultados indican que la resistencia disminuye
cuando se incrementa la temperatura, aunque hay una
⎧ 400°F ÷ 900°F
región para los aceros austeníticos entre ⎨
,
⎩ 204°C ÷ 428°C
en la que la resistencia es casi constante
Si estos ensayos se realizasen a temperaturas más elevadas, los datos no serían adecuados para el diseño de equipos que funcionasen un gran tiempo a esas temperaturas,
por cuanto la aplicación continuada de carga produce una
deformación lenta y continua, que puede ser importante y
apreciable en un determinado período de tiempo y que, algunas veces, puede conducir a la fractura.
Una excepción a la norma expuesta es el aumento de resistencia, con la consiguiente reducción en la ductilidad que se observa a temperatura ambiente para el acero al C y muchos aceros
⎧100°F ÷ 600°F
aleados, en un intervalo de temperatura de ⎨
.
⎩ 38°C ÷ 318°C
⎧600°F ÷ 750°F
Si la temperatura supera los ⎨
la resistencia del acero al C y de la mayoría de los
⎩ 316°C ÷ 400°C
aceros aleados de baja aleación, disminuye y se hace menor que la que corresponde a la temperatura ambiente, todo ello con el correspondiente aumento de la ductilidad.
Ensayo de termofluencia y rotura por fluencia.- Ciertos materiales no metálicos como el
vidrio, cuando se encuentran sometidos a tensiones experimentan con el tiempo una lenta y continua deformación. La rotura de un material metálico puede ocurrir cuando se somete a tensiones a
alta temperatura durante un tiempo suficientemente largo, incluso aunque la carga aplicada sea
considerablemente menor que la correspondiente al ensayo de rotura a la misma temperatura.
El ensayo de rotura por termofluencia se emplea para determinar a una temperatura dada:
- La velocidad de deformación
- El tiempo hasta la rotura
La probeta a ensayar se mantiene a una temperatura constante y se somete a una tensión estática fija; en el ensayo se miden su deformación y el tiempo hasta la rotura. La duración del ensayo
se puede extender desde 1000 a 10000 horas, e incluso más.
En la Fig VII.20 se representa el diagrama característico de la correlación deformación-tiempfernandezdiez.es
Materiales.VII.-298
po, de una probeta a lo largo del ensayo. La curva representativa de la termofluencia se divide en
tres etapas:
- La primera etapa de la curva de fluencia (A-B), termofluencia primaria, se caracteriza por una velocidad decreciente de la deformación a lo largo del período
- La segunda etapa de la curva de fluencia (B-C), termofluencia secundaria, se caracteriza por variaciones muy
pequeñas de la velocidad de deformación con un gradiente de termofluencia constante
- La tercera etapa de la curva de fluencia (C-D), termofluencia terciaria, se caracteriza por una velocidad de
deformación creciente, que conduce a la rotura.
La curva se inicia tras el alargamiento inicial (O-A), que es la medida de la deformación provocada por la carga. La magnitud del alargamiento inicial depende de las condiciones del ensayo y
se incrementa cuando crecen la carga y la temperatura.
Algunas aleaciones muestran una termofluencia secundaria muy limitada, e incluso inexistente, por lo que durante la mayor parte del ensayo la termofluencia es terciaria.
Para simplificar las aplicaciones prácticas de los datos de termofluencia para un material a
una temperatura determinada, se pueden establecer dos tipos de resistencia que facilitan magnitudes de la fluencia de un 1% de alargamiento tras 10.000 y 100.000 horas de ensayo, debiéndose realizar varios ensayos de rotura por fluencia a cualquier temperatura y cargas diversas.
La velocidad de la fluencia en la etapa de termofluencia secundaria, se determina a partir de
estas curvas y se representa gráficamente en función de la carga. Cuando estos datos se representan
en coordenadas logarítmicas, los puntos relativos a cada probeta están dispuestos sobre una línea
que tiene una ligera curvatura.
En la Fig VII.21 se presentan unas curvas
de velocidades de termofluencia para un
acero a diversas temperaturas. El perfil de
estas curvas depende de la
⎧- composición química
⎪⎪- microestructura cristalina del metal
⎨
⎪- carga aplicada
⎪⎩- temperatura del ensayo
La resistencia a la rotura por termofluencia es
pfernandezdiez.es
Carga aplicada
Area de la sección de rotura
en un tiempo deterMateriales.VII.-299
minado, y en atmósfera de aire a la temperatura del ensayo.
El tiempo de rotura a una temperatura
dada depende de la carga aplicada.
La Fig VII.22 indica las curvas de la correlación tensión-tiempo de rotura de un
acero, en coordenadas logarítmicas:
- Las grandes velocidades de alargamiento
indican una fractura dúctil (transgranular),
en la que hay superficie oxidada
- Las pequeñas velocidades de alargamiento son propias de una fractura frágil (intergranular), en la
que sólo hay oxidación visible intercristalina o no hay oxidación alguna
De las discontinuidades producidas por la presencia de óxidos intercristalinos, el tiempo de
rotura se reduce, apreciablemente, para una determinada combinación de carga y temperatura.
Se observa que la pendiente de la curva para 1200ºF (649ºF) es mayor que las pendientes correspondientes a temperaturas menores, por cuanto es una temperatura mayor que el límite normal
de temperatura de máxima resistencia a la corrosión del acero en cuestión, produciéndose una excesiva exfoliación en los ensayos de rotura de larga duración a 1200ºF (649ºC).
Un ensayo completo de rotura por termofluencia, para un acero dado, consiste en una serie de
ensayos a temperatura constante y con probeta sometida a diferentes niveles de carga. Como los ensayos no se suelen prolongar más allá de las 10.000 horas, los valores correspondientes a tiempos de
rotura superiores a esa cifra se estiman por extrapolación.
VII.10.- MATERIALES PARA CALDERAS
Especificaciones ASME y tensiones admisibles.- La mayor parte de las calderas industriales y energéticas se diseñan de acuerdo con la Sección I del Código ASME para Calderas y Recipientes a Presión, Calderas Energéticas (calderas para plantas de producción de energía eléctrica).
⎧- parte A, materiales férreos
Las especificaciones se listan en la Sección II, que comprende: ⎨
⎩- parte B, materiales no férreos
En la parte C, figuran las especificaciones para los materiales aptos para soldadura, como varillas de soldar, electrodos, metales de aportación, etc.
En la parte D, figuran los valores admisibles para las solicitaciones de diseño
La configuración de los productos metálicos utilizados en las partes a presión son los tubos,
chapas, piezas forjadas y piezas fundidas.
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-300
Tabla VII.1.- Materiales de calderas y algunas aplicaciones (unidades inglesas)
Nº
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
Especificación
Composición
nominal
Forma
producto
178ª
tubo ERW
192
tubo sin costura
178C
tubo ERW
210AA1
tubo sin costura
106B
tubo sin costura
178D
tubo ERW
210C
C
106C
tubo sin costura
Tubería sin cost.
216WCB
Fundido
105
Forjado
181-70
Forjado
266C12
Forjado
516-70
Chapa
266C13
Forjado
299
Chapa
250T1A
209T1A
tubo ERW
C+Mo
335P1
250T2
213T2
250T12
213T12
335P12
Tubería sin cost.
0,5Cr+0,5Mo
1 Cr+0,5Mo
0,5Cr+0,5Mo
250T11
213T11
tubo ERW
tubo sin costura
tubo ERW
tubo sin costura
Tubería sin cost.
tubo ERW
1,25Cr+0,5Mo+Si
335P11
217WC6
tubo sin costura
tubo sin costura
Tubería sin cost.
1,25Cr+0,5Mo
fundido
250T22
tubo ERW
213T22
tubo sin costura
335P22
217WC9
2,25Cr+1 Mo
182F22A
Tubería sin cost.
fundido
forjado
336F22A
forjado
213T91
tubo sin costura
335P91
Tubería sin cost.
182F91
9 Cr+1 Mo+V
336F91
213TP304H
forjado
forjado
18 Cr+8 Ni
tubo sin costura
213TP347H 19 Cr+10 Ni+Cb
tubo sin costura
213TP310H
25 Cr+20 Ni
tubo sin costura
407-800H
Ni+Cr+Fe
tubo sin costura
423-825
Ni+Fe+Cr+Mo+Cu tubo sin costura
Tracción Fluencia
Otras
Sobrecal
mínima mínima paredes y Recalent
ksi
ksi
cerram. Economiz.
47
47
60
60
60
70
70
70
70
70
70
70
70
75
75
60
60
55
60
60
60
60
60
60
60
60
70
60
60
60
70
60
60
85
85
85
85
75
75
75
65
85
26
26
37
37
35
40
40
40
36
36
36
36
38
37,5
40
32
32
30
30
30
32
32
32
30
30
30
40
30
30
30
40
30
30
60
60
60
60
30
30
30
25
35
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Tuberías no Colectores
Máxima
calentadas y tuberías Caldetemper. Notas
Diám. ext. Diám. ext. rines
uso ºF
< 10,75"
> 10,75"
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
950
950
950
950
950
950
950
950
950
950
950
800
800
800
800
975
975
875
1025
1025
1050
1050
1050
1050
1050
1050
1100
1115
1115
1100
1115
1115
1100
1200
1200
1200
1200
1400
1400
1500
1500
1000
1-2
1
2
3
2
3
3
3
4-5
4
6-7
6
5-7
8
8
5
5-7
1- Los valores ksi en los números 1 y 2 son mínimos esperados
2- Se requiere inspección especial, si se usa al 100% de su capacidad, por encima de 650ºF
3- Limitado a un máximo de 800ºF para tubería de diámetro exterior > 10,75" y para el exterior de la caldera
4- Limitado a un máximo de 875ºF para el exterior de la caldera
5- Requiere inspección especial, si se usa al 100% de su capacidad
6- La temperatura máxima del diámetro exterior es de 1025ºF. La media máxima para cálculos por Código es 1000ºF
7- Actualmente se requiere usar los casos particulares del Código
8- La carga mínima de fluencia de 32 ksi requiere usar el Caso 2070 del Código
9- Los números 1 a 40 son “SA”. Los números 41 y 42 son “SB”
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-301
La Tabla VII.1 muestra algunas especificaciones de materiales comunes para partes a presión
utilizados en calderas que queman combustibles fósiles, las propiedades mínimas exigibles, las temperaturas máximas recomendadas para el servicio y las aplicaciones sugeridas.
La temperatura de servicio máxima recomendada es una de las posibilidades de limitación, y
⎧- la de la tensión indicada en la Sección I
⎪⎪- la del límite de oxidación a largo plazo
se debe tomar como la más alta de entre las siguientes: ⎨
⎪- la de una posible grafitización
⎪⎩- la de la práctica comercial normal
Caldera, paredes hogar, zonas de convección y economizadores.- Las superficies de caldera, paredes de agua del hogar y del cerramiento del paso de convección, se construyen generalmente con tubos de acero al C, aceros (C-Mo) y acero (0,5Cr + 0,5Mo), con costura soldada por resistencia eléctrica, y sin costura.
Los tubos que tienen costura soldada por resistencia eléctrica, son los habituales en las aplicaciones muy críticas de las calderas de recuperación de calor en procesos de la industria papelera,
en los que una fuga de agua implica siempre explosiones, derivadas del contacto entre el agua y el
material fundido. En las zonas de elevado aporte de calor, para evitar el riesgo de grafitización, se
usan aceros bajos en C y los aleados con (0,5 Cr + 0,5 Mo); en esas zonas la temperatura del metal
puede estar sujeta a algunas fluctuaciones.
Los aceros altos en C y los (C-Mo) se usan en los suelos y partes altas del hogar, en las superficies de cerramiento de la zona de convección y en los economizadores.
Sobrecalentadores y recalentadores.- Las temperaturas máximas en las partes a presión
se presentan en el sobrecalentador y en el recalentador, por lo que los tubos de estos componentes
deben estar fabricados con materiales que tengan propiedades y resistencia a la corrosión a altas
temperaturas. El acero al C es un material económico y adecuado para temperaturas del metal que
⎧ 850°F ÷ 950°F
no excedan de ⎨
, dependiendo también de la presión.
⎩ 454°C ÷ 510°C
Por encima de estos valores, se precisan aceros aleados y aceros inoxidables, ya que los aceros
al C tienen baja resistencia a la oxidación y menores tensiones admisibles.
En la construcción de sobrecalentadores se utilizan aceros aleados con dos o más elementos:
- Los aceros de baja aleación, como el acero al C y el (C-Mo), se emplean en las secciones de entrada
- Los aceros (Cr-Mo) de media o baja aleación se usan en las secciones de salida, en las que las temperaturas del metal y del vapor se incrementan
-
Los tubos de acero inoxidable se emplean en las secciones más calientes del sobrecalentador,
aunque ya comienzan a sustituirse por el acero (9Cr + 1Mo + V) (Croloy 9V), que es un aero ferrítico
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-302
de alta resistencia que se desarrolló inicialmente para componentes de los reactores rápidos reproductores y que se ha aplicado en calderas que queman combustibles fósiles, por su alta resistencia y
excelente tenacidad. Gracias a su estructura ferrítica, con el empleo de este acero en lugar de los
inoxidables, se eliminan los riesgos de los fallos propios de las soldaduras que se presentan entre
metales diferentes.
VII.11.- FACTORES DE SELECCIÓN
Sobrecalentadores.- Para un sobrecalentador se pueden tener en cuenta:
⎧- área de la superficie requerida para la termopermutación
⎪⎪- temperatura final del vapor
- Factores operativos: ⎨
⎪- caudal másico total que pasará por los tubos
⎪⎩- equilibrio de caudales en los distintos circuitos
⎧- presión interna
⎪⎪- temperatura de diseño
- Factores mecánicos: ⎨
⎪- sistemas de soporte
⎪⎩- tensiones de dilataciones térmicas relativas
- Factores medioambientales
- Resistencia a la oxidación por vapor y a la corrosión (picaduras), sobre la superficie interna de los tubos en los períodos de fuera de servicio
- Resistencia a la oxidación, corrosión y erosión por la ceniza del combustible, en la superficie exterior
de los tubos
Tensiones.- La Tabla VII.2 muestra las tensiones admisibles para una serie de tubos sin costura, que se pueden utilizar en un sobrecalentador de caldera para generación de energía eléctrica.
Tabla VII.2.- Tensiones admisibles de varios materiales para tubos sin costura
Fuente: Sección I, Código ASME para Calderas y Recipientes a presión
Nº
Material
1
2
3
4
5
6
7
8
SA-210C
SA-209T1A
SA-213T2
SA-213T12
SA-213T11
SA-213T22
SA-213T91
SA-213TP304H
700
16,6
15
15
14,8
15
15
20
15,9
750
14,8
14,8
14,8
14,6
14,8
15
19,4
15,6
800
12
14,4
14,4
14,3
14,4
15
18,7
15,2
Temperaturas de metal que no excedan de, ºF
850
900
950
1000
1050
7,8
5
3
1,5
14
13,6
8,2
4,8
14
13,7
9,2
5,9
14
13,6
11,3
7,2
4,5
14
13,6
9,3
6,3
4,2
14,4
13,6
108
8
5,7
17,8
16,7
15,5
14,3
12
14,9
14,7
14,4
13,8
12,2
1100
2,8
2,8
3,8
10,3
9,8
1150
1,8
1,9
2,4
7
7,7
1200
1,1
1,2
1,4
4,3
6,1
El espesor mínimo “e” de la pared tubular se calcula con la expresión:
pD
e=
+ 0,005 D , en la que:
2σ +p
pfernandezdiez.es
⎧ p es la presión de diseño
⎪
⎨ D es el diámetro exterior del tubo
⎪⎩σ es la tensión admisible
Materiales.VII.-303
El peso del tubo por unidad de longitud en ft, se calcula mediante la siguiente expresión, que
incluye un factor de sobreespesor (1,11), normal para tubos sin costura:
Peso del tubo
Longitud del tubo
= 10,69 (D - 1,11 e) 1,11 e
La Tabla VII.3 muestra los espesores mínimos de pared para la superficie de sobrecalentadores correspondientes a siete materiales, para un tubo de 2,5" (63,5 mm) y presión de diseño de 2975
psi (205 bar). Estas cifras ponen de relieve que sólo tres o cuatro materiales podrían ser los seleccionados para el sobrecalentador previsto: el SA-210C, el SA-213T12, el SA-213T22 y el SA-213T91.
Tabla VII.3.- Espesor mínimo de pared (in) en función de la temperatura de los materiales para sobrecalentador,
tubos de diámetro 2,5" y presión de diseño = 2975 psi; (--), material no permitido para la temperatura de referencia
Nº
Material
1
2
3
4
5
6
7
SA-210C
SA-209T1A
SA-213T2
SA-213T12
SA-213T22
SA-213T91
SA-213TP304H
700
0,218
0,238
0,238
0,238
0,238
0,185
0,226
750
0,241
0,241
0,241
0,238
0,238
0,191
0,23
800
0,288
0,247
0,247
0,241
0,238
0,197
0,235
850
0,413
0,253
0,253
0,25
0,247
0,205
239
Temperatura
900
950
0,586
0,841
0,259
0,396
0,257
0,36
0,267
0,31
0,267
0,31
0,217
0,231
0,242
0,247
1000
-0,604
0,516
0,472
0,413
0,248
0,256
1050
--0,922
0,678
0,523
0,271
0,284
1100
----0,666
0,328
0,342
1150
-----0,451
0,417
⎧750°F ÷ 800°F
El paso del SA-210C al SA-213T12 se puede situar entre los ⎨
⎩ 399°C ÷ 427°C
La sustitución del SA-213T12 por el SA-213T22 se puede realizar a una temperatura que de⎧1000°F ÷ 1050°F
pende del flujo de vapor que circula por el sobrecalentador, lo que ocurre entre ⎨
⎩ 538°C ÷ 566°C
⎧1050°F ÷ 1100°F
La sustitución del SA-213T22 por el SA-213T91 puede tener lugar entre ⎨
⎩ 566°C ÷ 593°C
Como resultado de todo ésto, se podría necesitar sólo una pequeña longitud de SA-213T22, por
lo que el diseño podría eliminar una soldadura, y pasar directamente del SA-213T12 al SA-213T91,
a 1050 ºF, (566ºC).
Las Fig VII.23a.b.c. indican para diversos materiales, las curvas (tensión admisible-temperatura) en los principales campos de utilización de los mismos. Una consideración de diseño, que se
deduce de estas familias de curvas, es la sensibilidad a las variaciones de la temperatura final que
superen a la de diseño; los materiales con una baja reducción de resistencia cuando aumenta la
temperatura, son mucho más tolerantes, con desvíos ocasionales sobre las especificaciones de servicio, que conduzcan a temperaturas que lleguen a superar la temperatura final de diseño.
En algunos casos, las consideraciones de una probable corrosión por la ceniza del combustible
puede obligar a la utilización de aceros más aleados, en intervalos de temperaturas más bajas, lo
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-304
que es bastante frecuente en las calderas recuperadoras que se usan en procesos industriales, y en
las calderas que queman basuras, porque generan gases y cenizas con elevado potencial corrosivo.
Por ejemplo, la aleación 825, SB-407-825 (42 Ni + 21,5 Cr + 3 Mo + 2,25 Cu + 0,9 Ti + resto
Fe), se utiliza en zonas altamente corrosivas de los sobrecalentadores de calderas que queman basuras, incluso para temperaturas inferiores a 1000ºF, (538ºC).
En casos extremos, se han utilizado tubos bimetálicos con un núcleo de material para soportar
la presión y un revestimiento de aleación resistente a la corrosión.
Fig VII.23a.b.c.- Sensibilidad de la tensión admisible con cambios de temperatura
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-305
Colectores y tuberías.- Las especificaciones de la mayoría de las tuberías que se utilizan
normalmente, están recogidas en la Tabla VII.1. Los componentes de colectores y tuberías no se ubican dentro del flujo de gases por lo que no están calentados por éstos directamente, por lo que el parámetro de diseño, salvo la resistencia mecánica, es la resistencia a la oxidación por el vapor.
Para evitar la grafitización en el exterior del generador de vapor, los aceros al C no se emplean por encima de los 800ºF, (427ºC)
Los aceros al (C-Mo) se limitan a aplicaciones de tamaño pequeño, diámetros menores de
10,75" (273 mm), y por debajo de 875ºF, (468ºC)
La aleación (9Cr + 1Mo + Va) está sustituyendo al acero (2,5Cr + 1Mo) en los colectores de
salida de sobrecalentadores, ya que en la mayoría de los componentes de calderas, no opera dentro
⎧1000°F ÷ 1050°F
del campo de fluencia, incluso para temperaturas de diseño comprendidas entre ⎨
⎩ 538°C ÷ 566°C
Esta circunstancia y su elevada resistencia conducen a componentes más delgados, que son
menos susceptibles de fallos provocados por la fatiga de fluencia observada en antiguos colectores
fabricados con el (1,5Cr + 1,5Mo + Si ) y con el (2,5Cr + 1Mo).
El empleo de conexiones de salida forjadas, en lugar de soldadas, reduce posibles fallos de estas grandes conexiones tubulares.
Calderines.- En la fabricación de calderines se utiliza el acero al C. Para calderines con paredes gruesas > 4" (101,6 mm), se emplea el acero de grano fino SA-299, con una resistencia a la
tracción de 75.000 psi (517,1 MPa), idóneo para alcanzar una buena tenacidad.
En paredes de menor espesor 1,5" < e < 4", se utiliza el SA-516-Gr70 con grano fino y resistencia a la tracción de 70.000 psi (482,7 MPa).
En carcasas delgadas se usa el acero fundido de grano grueso SA-515-Gr79.
Aceros termoresistentes para partes no presurizadas.- Los materiales termoresistentes
de alta aleación se utilizan en algunas partes de la caldera expuestas a altas temperaturas y que no
se pueden refrigerar por agua o por vapor; estas partes están fabricadas con aleaciones tipo (Cr-NiFe) resistentes a la oxidación y elevada resistencia a la tracción; muchas de estas fundiciones se
destinan a configurar accesorios como deflectores, soportes y colgantes.
También se construyen con estos aceros termoresistentes los impulsores de los mecheros de
aceite y las abrazaderas y colgantes-soporte del sistema de sopladores de hollín. El deterioro de estos componentes se manifiesta por la conversión de sus capas superficiales en óxidos, sulfuros o sulfatos, y en este supuesto se dice que está quemado u oxidado.
Los aceros (25 Cr + 12 Ni) y (25 Cr + 20 Ni) facilitan una vida de servicio buena, dependiendo
pfernandezdiez.es
Materiales.VII.-306
de la ubicación que la parte considerada tenga en el flujo de gases y de las características del combustible.
⎧1000°F ÷ 2800°F
La temperatura a la que estas partes pueden estar expuestas varía entre ⎨
,
⎩ 538°C ÷ 1538°C
evitándose las soldaduras de estas fundiciones austeníticas con tubos de aleaciones ferríticas, para
minimizar los fallos en soldaduras entre metales distintos.
La vida de estos componentes se acorta si los aceros citados se exponen a los gases de combustión, especialmente si proceden de la combustión de aceites con alto contenido en Va.
Los sulfuros que se forman en la combustión de combustibles que tienen un elevado contenido
en S, son dañinos y, por supuesto, reducen la vida de servicio; estos sulfuros pueden reaccionar, especialmente en presencia de Va, y provocar una velocidad de ataque del metal muy grande, si la
temperatura de éste excede de 1700ºF, (649ºC).
La combinación de compuestos de Na, S y Va funde a 1050ºF (566ºC); los depósitos y deposiciones de estos compuestos son muy corrosivos cuando se funden, a causa de su acción escorificante;
para hacer frente a esta corrosión lo mejor es utilizar las fundiciones (30Cr + 50Ni) ó (60Cr + 40Ni).
VII.12.- EQUIPOS MEDIOAMBIENTALES
Desulfuración de humos.- Se utiliza para reducir las emisiones de SO2 en las calderas que
queman combustibles fósiles. La depuración y lavado del SO2 contenido en los gases de combustión
se realiza por medio de la saturación de los gases con una lechada de un producto altamente reactivo, en torre de absorción, con flujos en contracorriente.
Entrada en la torre de absorción.- La entrada a la torre de absorción se considera zona húme⎧- el flujo entrante seco de gases calientes
da/seca, porque está expuesta a ambos ambientes, ⎨
, y está ubi⎩- los rociadores de lechada del reactivo
cada en la zona en la que las condiciones de corrosión son más severas.
En la interfaz húmeda/seca se presentan, a veces, condiciones muy ácidas, en particular con
altos niveles de cloruros y fluoruros. Para esta interfaz, debido a las altas temperaturas presentes,
se seleccionan metales aleados con Ni, en lugar de los revestimientos no metálicos como:
C-276 = 2,5 máx Co + 15,5 Cr + 16 Mo + 3,75 W + 5,5 Fe + resto Ni
C-22 = 2,5 máx Co + 4 Fe + 21 Cr + 13,5 Mo + 0,3 V + 3 W + resto Ni
Zona humidificada por rociado en la torre de absorción.- Esta zona de la torre de absorción es
la única que está expuesta a condiciones corrosivas y abrasivas. Los rociadores de lechada dentro de
la torre de absorción, están dispuestos de forma que se garantice la cobertura de toda el área de la
sección transversal y, por tanto, de que se elimine el establecimiento de cualquier circulación de flupfernandezdiez.es
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jo no tratado a través de los rociadores. En la fabricación de las torres de absorción se utilizan aceros austeníticos inoxidables que contienen Mo.
Sin embargo, los niveles de solución de cloruros exceden de los valores en los que son efectivos
los aceros inoxidables, por lo que los únicos materiales viables para esta zona de la torre de absor-
!- inoxidables dúplex
$$
! elastómero clorobutil ó
ción humidificada por rociado, son aceros: "- al C forrados con "
# plástico reforzado con fibra de vidrio
$
$#- altos en Ni
Dado el alto precio de los aceros inoxidables y de los aceros altos en Ni, se prefiere utilizar el
acero al C forrado con láminas de elastómero clorobutil o plástico reforzado con fibra de vidrio, soldadas a las chapas de acero al C.
Tanque de recirculación en la torre de absorción.- El tanque de recirculación está integrado en
la estructura de la torre; los materiales para el mismo son similares a los de la zona húmeda de rociadores de la torre de absorción. Los aceros inoxidables, o los que contienen Mo, proporcionan un
excelente servicio dependiendo de la química del sistema, pero una inversión mínima inicial implica
utilizar revestimientos plásticos reforzados con fibra de vidrio, siendo la alternativa de mejor coste
la que corresponde al empleo de un revestimiento de elastómero clorobutilo. El inconveniente de estos revestimientos radica en su vida limitada (10 ÷ 15 años), siendo ambos tipos de revestimiento
susceptibles de admitir una capa de ladrillo superpuesta.
Colectores con rociadores internos.- Las tuberías de los sistemas de desulfuración de humos
son las únicas que deben tener resistencia a la abrasión, lo mismo por su superficie interior como
por la exterior. Se han empleado también tuberías de acero al C, revestidas y recubiertas de elastómeros, pero resultan caras y es difícil determinar la extensión de una corrosión en el sustrato. En la
actualidad se utiliza una tubería de plástico reforzada con fibra de vidrio y resina sintética.
Separadores de humedad.- Los sistemas antiguos de depuración de humos, utilizaban separadores de humedad fabricados con aceros inoxidables, debido a la variación de las temperaturas.
⎧- fiabilidad de las torres de absorción
Una vez mejorada la ⎨
, la tendencia ha evolucionado hacia
⎩- estabilidad de las temperaturas
los separadores de humedad construidos en plástico, que mejoran la resistencia a la corrosión, resultando frecuentes los separadores de humedad fabricados con fibra de vidrio, reforzados con resinas
termoplásticas.
Zona de salida y separador de humedad en la torre de absorción.- Esta zona está expuesta a
un medio ambiente distinto de los anteriores, por cuanto no predomina la lechada abrasiva de recirculación de cloruros; para el lavado del separador de humedad existe un agua blanda que se combina con el SO2 residual de los gases, para formar ácido sulfúrico SO4H2. En esta zona, como la resispfernandezdiez.es
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tencia a la abrasión no constituye un factor preponderante, no es necesario utilizar un forro de elastómero, siendo suficiente un acero al C revestido de plástico reforzado con vidrio en escamas.
Flujo de gases aguas abajo del by-pass.- En algunas unidades de depuración de gases de combustión, se instala un by-pass que rodea la torre de absorción, conectando la salida de la torre con el
flujo aguas arriba de la misma; la salida del bipaso está expuesta al ambiente altamente corrosivo
de los gases lavados y calientes. Como las temperaturas son del orden de 300ºF (149ºC), en esta sección de los conductos de humos se suelen utilizar, entre otros, revestimientos con bloques de vidrio
celular de borosilicato.
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REFERENCIAS CAP VII.- METALURGIA, MATERIALES Y ENSAYOS UTILIZADOS EN
LOS GENERADORES DE VAPOR
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